创造的发动机

《创造的发动机》

[美]K. Eric Drexler 埃里克·德雷克斯勒 著 2005年 零火 译

前言

　　K. Eric Drexler的《创造的发动机》是一本关于新技术的结论的原创作品。它是雄心勃勃的和富有想象力的和，最重要的，提出的思想是技术上可行的。

　　现在有谁能预言科学和技术将带我们走向何方吗？虽然很多科学家和技术专家试着去预测过，但是为什么那些最成功的预测却是出自科学幻想作家诸如儒勒·凡尔纳，H·G·威尔斯，Frederik Pohl，罗伯特·海因莱因，伊萨克·阿西莫夫，和阿瑟·C·克拉克？当然，他们中的很多人非常了解他们那个时代的科学，但是恐怕他们成功的最主要的原因是他们同样关注在他们的社会中浮现出的压力与选择。例如，克拉克自己曾经强调，事实上是不可能预言超过半个世纪后的技术细节的。首先，你不可能预言哪种选择在一段长时间后是技术上切实可行的，为什么？因为你如果能很清楚地看见将来，你就可以很快地去实现——如果想实现的话；第二个问题是社会变革的影响同样是难以预测的。由于这些不确定性，预见未来就象建造一座非常高并且很脆弱的推理之塔，我们都知道这样的建筑是靠不住的。

　　如何建造得更可靠一些呢？首先，基础必须十分牢固——Drexler的预见就是基于当前最可靠的技术领域的知识，其次，在每一步结论都必须用不同的方法来证明，在进行下一步推论之前。这是因为没有任何一种单独的理由可以在如此多的未知之前站的住脚。

　　因此，Drexler在每个重要论点上都给了多种支持的证据；最后，在这种问题上永远也不要完全相信一个人的判断，因为每个人都有希望和恐惧，这会使我们的思考带有偏见——而我们自己并不了解。但是，和大部分创新者不同，Drexler多年来一直勇敢地和毫不隐瞒地把这些观点暴露在正统科学社会中的保守怀疑者和理想主义者面前（如MIT的圈子中）。他仔细地倾听他人的说法，并不时修正他自己的观点。

　　《创造的发动机》一书从一个具有洞察力的论点开始，即我们能做什么取决于我们能造什么，由此开始引导我们仔细地分析堆叠原子的可能途径，然后Drexler问道：“我们用这些原子堆叠机器能做什么？”首先，我们可以制造比细胞还要小的组装机器，并且可以制造更轻和更结实的材料。因而，可以建造更好的宇宙飞船；因而，可以建造更微小的装置，它们可以在毛细血管中穿行并进入和修复活细胞；因而，可以治疗疾病，恢复青春，以及是我们的身体更快速和强壮。我们可以制造象病毒那么小的机器，和能以我们不能体会到的速度工作的机器。然后，一旦我们学会了怎么去做之后，我们就会想要用无数个这类微小机械去组装成智能机器，也许是基于上万亿个纳米尺度上的并行处理机来描述、比较和记录各种图案，并可以开发以前经历的记忆。因此这些新技术将不仅改变我们改造周围的物理世界的材料和方法，而且还能激发我们深入任何一个我们创造的世界的活力。

　　现在，我们回到克拉克的那个预测五十年后的难题，我们会看到Drexler处理的那些问题使得这个看起来几乎毫无意义。一旦原子堆叠处理启动，那么“仅仅五十年”将会带来比中世纪以来的所有改变更多的改变。对我来说，尽管我们听到了很多有关现代技术革命的东西，它们并没有象过去的半个世纪给我们生活带来的改变那么巨大。电视真的改变了我们的世界了吗？当然没有无线电带来的改变那么大，甚至比电话的改变还要小。那么飞机呢？它们仅仅是把旅行的时间从几天缩短为几小时——而在此之前铁路和汽车已经把这个时间从数周缩短到几天了！但是《创造的发动机》把我们带到了一个真正重大的变革的门槛之前。纳米技术将比物质世界领域中的前两项重大的发明给我们带来影响更大——用金属代替石头和木棒，以及电能的利用。同样地，我们也可以比较人工智能给我们的思想带来的影响——和我们将如何看待自己——相较于这个领域的另外两个早前的发明：语言和文字。

　　我们很快就要面对这些前景与选择。我们应该怎样去处理呢？《创造的发动机》说明了这些选择将如何导向很多与人类发展关系重大的问题：富裕与贫穷，健康与疾病，和平与战争。Drexler不仅客观地列出了可能性的目录，也提供了很多的想法和如何处理的建议。《创造的发动机》是目前为止对人类未来的思考的最好的尝试，我们将坚持发展新的技术。

　　-- MARVIN MINSKY

第一部 展望的基础

第一章 建造的发动机

　　蛋白质工程……允许我们一个原子一个原子地构造物质，代表了我们迈向具有更通用能力的分子工程的首要一步。 　　——KEVIN ULMER（基因探索性研究公司董事长）

　　煤和钻石，砂子和芯片，癌细胞和健康组织：纵观历史，原子排列的不同导致了便宜和贵重，疾病和健康的显著区别。按一种形式排列，原子形成了土壤，空气和水；按另一种形式排列，它们形成了草莓。按一种形式排列，它们形成了家园和新鲜空气；按另一种形式排列，他们形成了烟雾和灰尘。

　　我们排列组合原子的能力取决于我们的技术基础。我们在原子排列的路上已经走了很长时间了，从砸石头制作箭头到加工铝制作宇宙飞船。我们为我们的救生药和计算机技术而骄傲。但是我们的飞船还是很粗糙，我们的电脑还是很笨，我们身体组织里的分子还是会变得无序，先是摧毁健康，然后是生命本身。我们所有在排列原子方面的进展仍然在使用原始的方法。我们现在的技术仍然是把原子作为杂乱的一大堆来操作。

　　但是自然的法则为发展留出了足够的空间，并且全球竞赛的压力也促使我们快速向前，不论是好是坏，历史上最伟大的技术突破正在到来！

　　 　　两种类型的技术

　　我们的现代技术建立在一个古老的传统上。3万年前，石片切削是当时的高技术。我们的祖先手里抓着含有1024个原子的石头，去掉含有1021个原子的碎片来制造他们的战斧；他们使用的技巧现在都难以模仿。他们也能把手作为模板，用颜料在洞壁上画画。之后他们用粘土烧制陶罐，然后是烧化矿石得到青铜，他们锤打青铜使之成型。他们炼出了铁，然后是钢，用加热、锻打、切削的方法使之成型。

　　我们现在能烧制更纯的陶瓷和强度更高的钢，但是我们仍然使用锻打、切削等的方法来使它们成型。我们炼制纯硅，把它们切成薄片，用紫外线通过模板在它们的表面蚀刻图案。我们把完成的产品叫做芯片并且认为它们极其精细，至少和斧头比起来是这样。

　　我们的微电子技术的发展已经使得计算机从1950年代的塞满整个房间的大家伙缩小到了可以放在口袋里的地步。工程师们现在正在制造更小的装置，在晶体表面放置大量原子形成线路，宽度只有头发丝的1/10。

　　这些微电路按石片的标准来说可能算小，但是其每个晶体管仍然由1012个原子组成，所以所谓的微型电脑仍然是肉眼可见的，而按照更新的更有威力的技术的标准来看它们就象是巨人。

　　把我们从石器时代领到硅芯片时代的旧形式的技术把原子和分子当作一大堆来使用；称作“体积技术”，新形式的技术将精确地控制单个的原子和分子；称作“分子技术”。它将在很多方面超出我们想象地改变我们的世界。

　　微电路部分地用微米来度量——就是说一米的百万分之一，而分子要用纳米来度量（再小1000倍）。我们可以使用“纳米技术”和“分子技术”来交替地描述这种新形式的技术。新技术工程师们将制造纳米电路和纳米机器。

　　 　　今日的分子技术

　　在一本字典里这样定义机器“一种系统，通常有刚性的主体，连接成型以便按预先定好的方式改变、传输、引导力来实现特定的目标，诸如做有用的工作。”分子机器很适合此定义。

　　要想象这样的机器，你必须先有分子的形象。我们可以把原子想象为一个珠子而分子是一团珠子，就像小孩玩的由按扣连起来的珠子。事实上，化学家们确实有时也用塑料球建造分子模型。原子是圆形的象球，虽然分子键并不是按扣，但我们的图像至少抓住了分子键可以被打断和重连接的基本概念。

　　如果一个原子象一个小弹球那么大，一个相当复杂的分子就会像你的拳头那么大。这样的想象对我们非常有用，原子大约是细菌尺寸的1/10000，细菌大约是蚊子尺寸的1/10000。（原子核是原子自身体积的1/100000；原子和原子核的差别，就像一团火和一次核反应之间的差别）

　　我们周围的物质性质取决于它们的分子的属性。空气的形状和体积都不固定是因为它的分子可以自由移动，在开放的空间中碰撞跳动。水分子粘在一起同时又到处移动，所以水在变形的同时保持体积不变。铜保持它的形状是因为它的原子按规则形式粘在一起；我们能弯曲和锤打它是因为它的原子可以互相滑动同时又保持联系。玻璃在锤击下会破碎是因为它的原子在滑动之前就互相分离了。橡胶由互相扭曲在一起的大分子网络组成，象一堆弹簧，当拉长和放开后，它的分子也被拉直和重新盘绕。这些简单分子结构形成的是消极被动的物质，更复杂的形式形成了活细胞中的活动的纳米机器。

　　 　　生化学家已经在利用这些机器，主要是蛋白质，蛋白质也是活细胞的主要构成材料。这些分子机器由相对少的原子组成，所以它们的表面凸凹不平，就像把一堆珠子粘在一起的那种形状。同时很多对原子之间的键可以被弯曲和旋转，所以蛋白质机器具有非同一般的灵活性，同时和所有的机器一样，它们有不同形状的部件和尺寸来完成有用的工作。所有的机器都使用一大堆原子作零件，蛋白质机器仅仅是使用了很小的一堆原子。

　　生化学家梦想能设计和制造这样的装置，但是有很多困难要克服。工程师们用光束在硅片表面上蚀刻，而化学家们要做的比这麻烦的多。如果他们想要组成不同的分子，他们只能有限地控制分子的结合。当生化学家需要复杂的分子机器时，他们还是不得不从细胞中借用。然而，先进的分子机器将使他们能像工程师们制造微电路和洗衣机那样容易地制造纳米电路和纳米机器，之后进步将变得快速而富有戏剧性。

　　在现代基因合成机器里，基因工程师们建造了更规则的聚合体——特殊的DNA分子——通过按特定的顺序组合分子，这些分子就是DNA中的核苷酸（基因字母表中的字母），基因工程师们并不是把它们像倒垃圾那样倒在一起，他们引导机器按特定顺序加入不同的核苷酸以便拼出有特定含义的信息。他们先将一种核苷酸加入到链的末端，然后洗掉多余的材料，然后加入化合物让新链的末端准备好可以加入下一个核苷酸，重复此步骤链就按照特定的顺序一次一个单位地不断的生长。他们把链的头部固定在一个固体表面防止链被冲洗的液体冲走，通过这种方法，他们用一个大而笨的机器合成了一个比它自己小一亿倍的特殊的分子结构。

　　但是这种“盲打”操作有时会丢失链条上的核苷酸，随着链条的增长，这种可能性也在增加。像工人在组装前把有缺陷的零件丢掉一样，基因工程师也通过抛弃坏链条来减少错误，然后为了把这条短链加入工作基因（通常有几千个核苷酸长），他们将使用在细菌中发现的分子机器。

　　这些蛋白质机器，称为限制酶，“读取”某种含义为“剪这儿”的DNA片断，他们通过碰触，然后粘在上面来读此信息，并通过重新排列一些原子来剪断链条。其他的酶通过读取“粘这儿”的信息把剪下来的片断结合到一起，过程与剪断类似，只是通过重新排列原子把不同的片断结合起来。通过用基因合成机器写，用限制酶剪切和粘合，基因工程师们可以写入和编辑任何它们想要的DNA信息。

　　就DNA本身来说，它是一种无用的分子，它既不象Kevlar（凯芙拉）那么结实，又不象染料分子那么多姿多彩，更不象酶那么活泼，但是它有某种特质使得工业上愿意花成百万的美元来获得：这就是可以指挥被称为核糖体的分子机器的能力。在细胞中，分子机器首先转录DNA，复制它的信息到RNA“磁带”上，然后很象早期的靠纸带上记录的信息来控制加工的数控机床，核糖体通过读RNA链上的信息来合成蛋白质，而蛋白质是非常有用的。

核糖体（图中央的绿色土豆状物体）通过读取RNA分子（图中那串黄色的珠子）上的信息来合成蛋白质长链（紫色长链）

　　蛋白质，象DNA一样，也是由一堆珠子串成的链，但是又不象DNA，蛋白质分子折叠起来形成可以做点事情的小团团。一些称为酶，建造和分解分子的机器（以及复制DNA，建造生命循环所需的其他蛋白质），其他蛋白质称为激素，作为信号来使细胞改变它们的行为。基因工程师们可以通过指导这些存在于生物组织中的廉价而有效的分子机器来方便地制造达到目的。在化工厂工作的工程师们必须应付大桶的化学药品（经常错排原子和产生有害的副产品），而用细菌工作的工程师们则让它们吸收化学物质，小心地重排原子，把产品存储起来或者排放到它们周围的液体中。

　　基因工程师们现在可以通过为细菌编程来生产从人的生长荷尔蒙到RENNIN，一种制造干酪的酶。一家叫Elililly的药物公司现在向市场供应Humulin，由细菌生产的人类胰岛素分子。

　　现有的蛋白质机器

　　这些蛋白质激素和酶有选择地结合其他的分子。酶可以改变目标的结构，然后移开；激素仅仅在和目标结合时才改变其属性。激素和酶可以用机械术语来描述，但是它们更经常地被用化学术语来描述。

　　其它的一些蛋白质执行基本的机械功能，一些可以推和拉，一些则象绳子和杠杆，一些分子部件形成了极好的轴承。例如肌肉的工作机制，一群蛋白质抓住一条绳子（也由蛋白质构成），拉它，然后松开为下一次抓握作好准备；无论何时只要你运动，你就在使用这些机器。阿米巴变形虫和人类细胞通过使用分子构成的类似于“肌肉”和“骨骼”的纤维和长杆来移动和改变它们的形状。一台可反转的，可变速的马达通过旋转螺丝锥形的螺旋桨来驱动细菌在水中潜行。如果某位爱好者用此马达制作了一部微小的汽车，那么你的口袋里可以放下1018个这种小车，并且在你的毛细血管里可以为它建造一条150车道的高速公路。

　　简单的分子装置可以结合起来形成系统就象工业机器一样。在1950年代工程师们开发了用穿孔纸带控制的金属加工机床。一个半世纪以前，Joseph-Marie Jacquard 建造了一台织布机，在一串穿孔卡片的控制下它可以编织复杂的图案。在Jacquard之前30亿年，细胞已经进化出了核糖体机器，它们证明了纳米机器可以由蛋白质构成并且通过RNA的编程可以制造复杂的分子。

T4噬菌体

　　现在我们来看看病毒，其中的一种叫T4噬菌体，工作起来象一个弹簧驱动的注射器，其形状在任何工业手册上都找不到类似物。它会粘附到一个细菌表面，打个洞，然后把自己的DNA注射进去（是的，即使细菌也得遭受打针之苦）。就象征服者夺取工厂为他们生产坦克一样，这些DNA会指导细胞机器制造更多的病毒DNA和注射器。象所有生物体一样，这些病毒存在是因为它们相当稳定并且善于获得它们自己的复制品。

　　无论是否在细胞内部，纳米机器都遵守自然的普遍法则。普通的化学键将它们的原子连接到一起，普通的化学反应（由其他纳米机器引导）把它们组装起来。蛋白质分子甚至可以不用额外辅助就可以连接并成形，仅仅由热运动和化学力驱动。同过在试管里混合不同的蛋白质（以及它们为之工作的DNA），分子生物学家已经合成了可以工作的T4病毒。这种能力是惊人的：想象把一堆汽车零件放到一个箱子里，摇晃它，当你再往里看的时候你就看到了一台组装好了的汽车！而T4病毒仅仅是无数自组装结构的一种。分子生物学家已经把核糖体分解成50种蛋白质和RNA分子，然后在试管中混合它们以形成可工作的核糖体。

　　为了看到这一切是如何发生的，我们可以想象不同的T4蛋白质链漂浮在水中，每种都折叠缠绕成特殊的团状，具有各自不同的突起和凹处，形成不同的粘度、湿度和电荷分布。想象它们不断游动和翻滚，被周围水分子的热运动推来挤去。一次又一次地撞到一起又被撞开，在有些情况下，两个撞在一起的分子由于突起和凹处正好适合而匹配，它们就紧紧地结合在一起；通过这种方式蛋白质和蛋白质结合形成部件，而部件结合形成了整个病毒。

　　蛋白质工程师们不需要纳米臂和纳米手来组装复杂的纳米机器，但是微小的操纵器还是有用的和应该被制造的。和今日的工程师们用普通马达、轴承和动作部件来制造机械手一样，明日的生化学家将能使用蛋白质分子构成马达和轴承以及动作部件来组装成机械手以便可以操纵单个分子。 　

　　蛋白质设计

　　这样的能力离我们有多远？现在已经上路了，但是还有很多工作要做。生化学家们已经画出了很多蛋白质的结构。通过使用基因机器来写DNA磁带，它们可以指导细胞建造任何他们设计出来的蛋白质。但是他们仍然不知道如何使蛋白质链条折叠成正确的形状来完成特定功能。折叠蛋白质的力是弱的，而蛋白质链可以折叠的形式却是个天文数字，所以设计一个有用的蛋白质是不容易的。

　　使不同蛋白质结合形成复杂机器的力和把单个蛋白质链折叠成有用形式的力是同一种力。具有不同形状和结合力的氨基酸——形成蛋白质链的珠子——使得每个蛋白质链通过特定的方式折叠形成特殊的形状。生物化学家已经学到了一些关于氨基酸链如何折叠的规律，但是这些规律还不是很确定，尝试预测一条氨基酸链如何折叠就象解一道七巧板难题，并且没有可见的形状让你知道拼图是否是正确的，每个小块都有很多种方式与别的小块结合，但是除了一种之外其他的结合方式都是错误的。错误的开始会浪费很多宝贵的时间，并且正确的答案我们又几乎不能识别，生化学家使用了当前能得到最好的计算软件还是不能预测一条自然的蛋白质长链是如何折叠的，一些人甚至已经对设计蛋白质分子绝望了。

　　绝大部分生化学家象科学家那样工作而不是象工程师。他们致力于预测一条自然的蛋白质链如何折叠，而不是设计一条可以按预测方式折叠的蛋白质链，这听起来是相似的，但是实际上有很大差别：首先是科学上的挑战，其次是工程上的挑战。为什么自然的蛋白质链要按照科学家容易预测的方式折叠？它们会按照自然的需求正确折叠，而不是按照人们容易理解的方式折叠。

　　可以从开始设计蛋白质时就按照使它们的折叠很容易预测的目标来设计。Carl Pabo，自然杂志的专栏作家，已经提出了一个基于这个策略的设计方法，一些生化学家也已经设计和建造了具有几十个氨基酸的短链然后按照设计好的方式折叠和安置在其它分子的表面。他们现在可以从头开始设计一种蛋白质，其特性与一种存在于蜜蜂毒液里的蜂毒素类似。他们改进现有的酶，按可预测的途径改变它们的行为。我们对蛋白质的认识正在与日俱进。

　　在1959 年，按生化学家Garrett Hardin的说法，一些基因学家声称基因工程是不可能的；而今天，它已经形成产业。生化学家和计算机辅助设计开始探索新的领域，就象Frederick Blattner在科学杂志上写的那样：“计算机象棋程序已经达到了特级大师的水平，也许蛋白质折叠问题的解决会比我们想象的要快。” Genentech的William Rastetter在“应用生化技术”上写道：“新酶的设计和合成还要多久？10，15年？”他答道，“也许不需要那么久。”

　　美国海军研究实验室的Forrest Carter，IBM的Ari Aviram 和 Philip Seiden，Genex公司的Kevin Ulmer，以及其他分布在全球的大学和工业实验室里的研究者们已经开始进行理论性的工作和试验，目标是发展分子开关、存储装置以及其他结构以便组成蛋白质计算机。美国海军研究实验室拥有两个国际性的车间制造分子电子装置，一个由美国国家科学基金会赞助的会议建议支持开发分子计算机的基础性研究。据闻日本已经开始了一个数百万美元的计划开发具有自组装能力的分子马达和计算机。VLSI研究公司的报告中写道：“看起来生物芯片（分子电子系统的另一种叫法）的竞赛已经开始。NEC，日立，东芝，Matsushita，富士，三洋和夏普已经开始全面地进行生物芯片和生物计算机的研究。”

　　生物化学家有另外的理由来学习蛋白质设计的艺术。新的酶肯定可以使肮脏、昂贵的化学处理变得更便宜和更干净，并且神奇的蛋白质也为生化学家提供了一个更广阔的工具选择范围。他们已经走上了蛋白质工程之路，就象本章开头引用的Kevin Ulmer的话说的那样，这条路将带我们“走向一条可以让我们获得一个原子一个原子地构成物质的更通用能力的分子工程之路。”

　　第二代纳米技术

　　虽然具有多功能性，蛋白质作为工程材料来说也有缺点。蛋白质机器在干燥的环境下会不工作，冷冻时会凝固，加热时会失效。我们并不用肌肉，头发和胶水来制造机器，几个世纪以来，我们用由我们的肌肉和骨骼组成的手来制造由木头、陶瓷、钢铁和塑料组成的机器。我们在将来仍将这么做。我们用蛋白质机器来制造由比蛋白质更坚硬的材料组成的纳米机器。

　　随着纳米技术的发展超越了对蛋白质的依赖后，从一个工程师的角度来看，它将变得更平常。分子将象装配工手里的零件一样被组装，然后组装好的部件被安装牢固。就象普通工具可以把零件组装成普通机器一样，分子工具把分子组装在一起形成微小的齿轮、马达、杠杆、外壳然后把它们组合成复杂的机器。

　　只含有几个原子的部件是粗糙的，但是工程师们可以使用这些粗糙的部件，如果他们有光滑的轴承的话。很方便地，一些原子间的结合力形成了很好的轴承；一个部件可以被一个简单的化学键托起并且可以自由地光滑地旋转。由于一个轴承可以由仅仅两个原子构成（因此运动部件可以仅仅由数个原子组成），纳米机器的确可以拥有分子尺寸上的机械零件。

　　我们将怎样制造这些更好的机器？一直以来，工程师们利用技术本身来改进技术。他们用金属工具来切削金属制成更好的工具，用计算机来设计更好的计算机。他们也一样会用蛋白质纳米机器来制造更好的纳米机器。酶显示了这种方法：它们通过从周围的水中抓取小分子并把它们放到一起形成键来组装大分子。酶通过这种方法来组装DNA、RNA、蛋白质、脂肪、激素以及叶绿素——事实上是生物体内的所有分子。

　　生化工程师们，将创造新的酶来组装新的原子结构。例如，他们可能制造一种象酶一样的机器，它可以把碳原子连接在一点上，一层又一层的垒起来。如果连接正确的话，原子将会形成一条极好的柔韧的钻石纤维，这条纤维将比同样重量的铝合金强度高50倍。宇航工程公司将排着队来成吨地买这样的纤维去造性能先进的复合材料。（这显示了军事竞赛将会推动分子技术的一个小原因，就象在过去它推动了许多领域一样）。

　　当蛋白质机器可以建造比纤维更复杂的结构时就意味着伟大的进步即将到来。这些可编程的蛋白质机器将象由RNA编程的核糖体，或者老一代纸带编程的自动机床那样工作。它们将开创一个新的充满了可能性的世界，使工程师们摆脱蛋白质的限制，直接设计和制造纳米机器。

　　工程蛋白质将象酶那样分裂和连接分子。现有的蛋白质结合多种小分子，使用它们作为化学工具，新的工程蛋白质将使用所有这类工具甚至更多。

　　此外，有机化学家显示了化学反应在没有纳米机器引导分子的情况下也可以产生显著的结果。化学家不能控制液体中的分子碰撞，因此分子任意地起反应，仅取决于它们如何结合，但是他们仍然试图让反应分子形成规则结构诸如立方体或十二面体，或者形成不太稳定的结构比如键高度绷紧的分子环。分子机器将具有形成键的多功能性，因为它们能利用熟悉的分子运动来形成键，并且能引导这些运动，而这是化学家做不到的。

　　当然，由于化学家还不能引导分子运动，他们很少能按照特定要求组装复杂分子。他们能造的最大的复杂分子只是一些线性长链。化学家制造这些结构的方式类似于基因机器，他们一次一个地把分子依次接到链上。因为只有一种连接可能性，所以他们可以确信下一个会连到正确的位置上。

　　但是如果面对一个团状的，有上百个氢原子在表面上的疙疙瘩瘩的分子，化学家又怎样才能从上面分离一个特定的原子或者放些东西在它表面呢？使用简单化学药品是几乎不可能做到的，因为一般小分子是不能选择在什么位置和大分子起反应的，但是蛋白质机器是有选择性的。

　　一个可变形的可编程的蛋白质机器可以抓住一个大分子（工件）同时又相应地在对应的位置抓住一个小分子。象一个酶那样它会把两个分子结合起来。通过结合一个又一个的分子到工件上，机器会组装出越来越大的结构体同时保持对结合到主体上的原子的完全控制。这正是化学家所欠缺的关键能力。

　　就象核糖体一样，这种纳米机器能在分子磁带的指导下工作。不同于核糖体，它们可以操纵更多种小分子（不仅是氨基酸分子）并且可以把它们安装到工件的任何位置而不只是在链的末端。蛋白质机器因此可以集中酶的分解与结合能力以及核糖体的可编程性质于一身。尽管核糖体只能制造未折叠的蛋白质，这些蛋白质机器却可以建造组成金属、陶瓷或钻石的微小的固体块——小到看不见，但是却是粗糙的。

　　因为我们的手指容易被擦伤或烫伤，所以我们制造了钢钳，而因为蛋白质机器容易变形和分解，我们将制造由更坚硬的材料制成的纳米机器。

　 　　通用组装机

　　这些第二代纳米机器——不仅由蛋白质构成——将能做所有蛋白质能做的工作，以及更多的工作。特别是，一些将作为组装分子结构的改进装置，能忍受酸性或真空，冷冻或烘烤。通过不同的设计，这种类似酶的第二代纳米机器将能作为化学家手中的工具去操纵几乎任何反应分子，具有可编程机器的精确性。它们能把原子结合成任何稳定的形态，可以一次一点地把零件加到工件表面直到形成一个复杂结构体。我们可以把这样的纳米机器想象成一个装配工。

　　因为装配工可以让我们把原子按任何合理的顺序排列，它们可以帮我们建造任何自然法则允许存在的东西，特别是，它们可以让我们能按照设计建造任何东西——包括更多的装配工。这导致的结果是意义深远的，因为我们的原始的工具只让我们探索了自然法则允许的可能性的很小一部分。组装机将开创一个新技术的世界。

　　在医药、航天、计算、制造以及军事方面的技术进步——都依赖于我们排列组合原子的能力。通过使用组装机，我们将能重塑我们的世界或者毁灭它。在这点上来说我们应该退后一点以便看清前景，并且能使我们确信组装机和纳米技术不仅仅是个未来的幻影。

　　明确结论

　　在前面我讨论过的所有内容都是基于已被证明的化学和分子生物学事实。但是人们还是会基于根深蒂固的物理学和生物学观念提出某些疑问，对于这些疑问应该给出更直接的回答。

　　“量子力学的不确定性原理会不会使分子机器无法工作？”

　　这条原理说明粒子不能被固定在一个精确的位置，在任何可确定的时间范围内。它限定了分子机器的动作，就象它限定了任何别的事物的动作一样。虽然如此，计算表明不确定性对放置原子来说并不是重要的限制因素，至少对这里概略讨论的目的来说是这样。不确定性原理使电子的位置很模糊，事实上这种模糊决定了原子的真实尺寸和结构。原子作为一个整体来说具有相当明确的位置，而这是由它的相对厚重的原子核决定的。如果原子不能被稳定放置，那么分子将不存在。你不用学过量子力学就可以确信这个结论，因为细胞中的分子机器已经证明了分子机器是可以工作的。

　　“分子的热振动会使分子机器不能工作或者太不稳定而没有用处吗？”

　　热振动将会引起比不确定性原理更大的问题，然而现存的分子机器仍然证明了分子机器可以在常温下工作。除开热振动不谈，细胞中的DNA复制机制在100，000，000，000次复制中只有不到一次出错。为了达到这样的精度，细胞使用了机器（例如DNA聚合酶）来保证复制以及纠正错误。组装机也需要相似的错误检查和错误纠正机制以达到可靠的结果。

　　“辐射会分解分子机器使它们失去作用吗？”

　　高能射线可以打断化学键从而分解分子机器。活细胞多次显示了此种结果：它们整年地工作来修补和替换被辐射破坏的部分。由于单个分子机器是这样小，以至它们对射线来说太小而很少被击中。当然如果一个纳米机器系统要可靠工作，它必须能容忍一定的破坏，并且被破坏的部件也必须能被有规律地修补和替换。这种达到可靠性的方法被飞机和飞船的设计者所熟知。

　　“由于进化没有产生组装机，是否说明它们是不可能实现的或者是无用的？”

　　前面的问题可以部分地用细胞中工作的分子机器来回答。这是一个简单而有力的案例，证明了自然法则允许一团原子组成可控机器，能建造其它的纳米机器。但是尽管和核糖体有基本的相似性，组装机还是不同于细胞中发现的任何东西，它们做的事——虽然是由普通的分子运动和反应组成——却能带来奇异的结果。例如，没有一种细胞能制造出钻石纤维。

　　新型的纳米机器能带来新的有用的能力的观点可能是令人吃惊的：在几十亿年的进化中，生命从来没有抛弃它对蛋白质机器的基本的信念。是否这就暗示了进步是不可能的？进化是通过微小的改变来完成的，DNA的进化不能简单地取代DNA。由于DNA/RNA/核糖体系统是特别用来制造蛋白质的，生命实际上没有机会发展另外的系统。任何产品经理都会感激这个理由，比工厂更甚，生命不能承受被关闭以便更换旧的系统带来的后果。

　　改进的分子机器也不会比合金钢的强度10倍于骨头，或者铜导线传导信号的速度100万倍于神经传导的速度而更使我们吃惊。汽车比美洲豹跑得快，喷气飞机比猎鹰飞的快，计算机比人心算的快。未来将带给我们生物进化上的更多例子，第二代纳米机器只是其中之一。

　　从物理上来说，为什么先进的组装机能比现存的蛋白质机器做更多的事是显而易见的。它们象核糖体那样可编程，而且可以使用比细胞中的酶更多的工具。因为它们将用比蛋白质更坚硬、更稳定的原料制成，所以能发出更大的力，运动精度更高，以及适应更苛刻的环境。象个工业机械手——而不象任何活细胞中的东西——它们可以在程序控制下在三维空间中旋转和移动分子，使得精确装配复杂物体成为可能。这些优势使它们可以组装形成比活细胞已经制造出来的更多得多的分子结构。

　　“是否生命具有某种魔力，而在实质上使得分子机器工作？”

　　人们可能会怀疑人造的纳米机器是否能和细胞中的纳米机器具有同样的能力，如果有证据表明细胞中存在有某种魔力使之工作的话。这种想法被称为“生机论”，生物学家已经抛弃了它因为他们在活细胞研究的所有方面都找到了化学和物理的解释，包括它们的运动、生长和复制。事实上，这些知识是生物学的基石。

　　纳米机器漂浮在消过毒的试管中，在细胞之外，表现了所有它们在活细胞内表现出的行为。通过化学物质，生化学家建造了能工作的蛋白质机器而不用活细胞的帮助。例如， R. B. Merrifield使用化学技术来组装简单的氨基酸，制成牛胰岛素，一种分解RNA的酶。支配生命的自然法则同样也支配宇宙中其它的事物。

　　“组装机和其他纳米机器的可能性听起来有道理，但是我们为什么不等等看，看它们是否能被发展出来？”

　　纯粹的好奇心可能是检验纳米技术为我们创造的可能性的足够的理由，但是还有更重要的理由。这些进展将会在10到50年内席卷全球——就是说，在我们的一生之内。更甚者，下面的章节的结论将说明等待观望的政策代价将是很昂贵的——可能会搭上几百万人的生命，也可能会结束地球上的生命。

　　是不是纳米技术和组装机的可能性足以引起重视？看起来是这样的，因为这件事的核心是建立在两个确定的科学和工程事实之上的。这就是（1）现存的分子机器提供了很多种基本功能，以及（2）提供这些基本功能的部件可以被连接起来组成复杂的机器。由于化学反应可以把原子按不同方式结合，而且分子机器可以按照程序指令引导化学反应，组装机确实是可行的。

　　 　　纳米计算机

　　组装机将带来的一个显而易见的重要的突破是：工程师们将可以用它们来大幅减小计算机的尺寸和价格并且大大地提高运算速度。

　　使用目前的体积技术，工程师们通过向硅片喷射原子和光子来形成图案，但是图案是平面的并且分子水平的缺陷是难以避免的。而如果使用组装机，无论如何，工程师们可以在三维空间中建造电路，精确到一个原子。今日的电子技术的精度极限是不确定的因为电子在微小结构中的量子特性带来了复杂问题，一些问题是不确定性原理导致的直接后果。无论它的极限在哪儿，都会由于组装机的使用而被达到。

　　最快的计算机将利用电子效应，但最小的未必如此。这看起来有点奇怪，但是计算的本质却和电子一点关系都没有。一台电子计算机由一堆可以彼此互相开关的开关组成，它的开关开始时是一种组合图案（可能代表2+2）然后彼此开关又形成了另一种图案（代表4），等等。这种图案可以代表几乎任何事物。工程师们用微电路来制造计算机只是因为由电线和杠杆组成的机械开关又大、又慢、又不可靠并且昂贵，按今天的标准来看。

　　制造纯机械计算机的想法不是什么新想法，在十九世纪中叶的英格兰，Charles Babbage 就发明了一台由黄铜齿轮组成的机械计算机，它的合作者Augusta Ada女伯爵，发明了计算机程序，Babbage无休止地重新设计这台机器，制造精度带来的问题、预算监督人的反对意见（一些人怀疑这台计算机有什么用！），使得这台机器最终没有完成。

　　在此影响下，麻省理工学院人工智能实验室的Danny Hillis 和 Brian Silverman建造了一台能玩跳棋的机械计算机，在一边有码尺，充满了旋转轴和活动框架，代表了棋盘的状态和游戏的策略，它现在存于波士顿的计算机博物馆。它看起来像一个巨大的球棍分子模型，因为是用儿童玩具做成的。

　　黄铜齿轮和儿童玩具制成了大而慢的计算机。若使用只有几个原子宽的元件，一台机械计算机体积将只有一立方微米的1/100，比我们现在说的微电路小几十亿倍。一台具有1G字节存储量的机械计算机将能装进一个边长1微米的方盒子里，大约和一个细菌的个头差不多大。但是它会工作得很快，虽然机械信号传导比电信号慢100,000倍，但是它只需要传导1/1,000,000的距离，所以延迟很小。所以一台纯机械计算机将比现在的电子计算机工作的更快。

　　电子纳米计算机将比微型电子计算机快几千倍——也许几十万倍，如果被诺贝尔奖得主理查德·费曼提议的一项计划得以实现的话。通过缩小尺寸来提高速度是电子工业的老套路了。

　　 　　分解机

　　分子计算机将控制分子组装机，为安放巨大数量的原子提供快速的指令流。拥有分子存储装置的纳米计算机也可以存储分解的指令。

　　组装机可以帮助工程师合成物体，它们的亲戚，分解机，将可以帮助科学家和工程师分解物体。组装机是基于象酶和化学反应那样的形成键的机制，而分解机则基于象酶和化学反应那样的打断键的机制，以及由机器控制的处理过程。酶，酸，氧化剂，碱金属，离子以及被称为“自由基”的反应原子团——所有这些都可以打断化学键移走原子团。因为没有什么东西能抵抗侵蚀，所以分子工具也可以使任何东西分离，一次一些原子。更进一步的，纳米机器将同样地使用机械力把一团原子撬开。

　　可以做上述工作，同时一层一层记录下它去掉了些什么的纳米机器就是分解机。组装机，分解机，和纳米计算机将在一起工作。例如，一台纳米计算机将能指导分解一个物体，记录下它的结构然后指导组装机实现完美的拷贝，这暗示了纳米技术的威力。

　　 　　创造新事物的世界

　　组装机将要过些年才能出现，但它们的出现看起来是不可避免的：虽然通向组装机的路径还有很多步要走，但每一步都在接近，并且每一步都会立刻带来回报。第一步已经迈出，顶着“基因工程”和“生物技术”的名头。其他通向组装机的途径也显示了可能性。除非世界毁灭或者世界被完全控制，技术竞赛将持续下去，不管我们愿不愿意。随着计算机辅助设计加速分子工具的发展，组装机方向的进展也将加速。

　　为了获得理解未来的希望，我们必须先理解组装机，分解机和纳米计算机。它们肯定能带来意义深远的改变，就象工业革命，抗生素和核武器都带来了巨大的突破一样。为了理解未来的意义深远的变化，探寻在过去的巨变中幸存下来的法则是有意义的。它们将提供有用的指导。

第二章 改变的法则

　　把设计过程想象为：首先产生许多可供选择的方案，然后用所有需求和限制的组合来测试它们。 　　——赫伯特·A·西蒙（HERBERT. A. SIMON）

　　分子组装机将带来一个从未有过的革命，在存在于细胞内的原始的组装机-核糖体产生以后。纳米技术的发展将帮助生命扩展到地球以外的空间——自从生命从海洋扩展到陆地之后还从未有过的一大步；它可以让机器产生思想——从思想产生于灵长类脑中之后还从未有过的一步；它也能使我们的思想不断更新换代和重新塑造我们的身体——从来没有过的一步。

　　这些革命将带来人类不能把握的巨大的危险和机会。就像适用于分子、细胞、兽类、思想，和机器的改变的法则将继续适用于生物技术、纳米机器、以及人造思维一样，同样的适用于海洋，陆地，空气的自然法则也将适用于生命扩展到别的星球的情况。理解不朽的改变的法则将有助于我们理解新技术的潜在的优点和缺点。

　　 　　混沌中的有序

　　有序可以从混沌中自发产生而无需任何人下命令：在太阳、地球或者生命产生之前很久，规则的晶体就从无定形的星际气体中产生了。在我们更熟悉的环境中结晶体也一样能从混沌中产生。想象一个分子——可能有规则的形状，也可能是不对称的多节的就像一块姜，然后想象巨大数量的这样的分子在液体中随机碰撞，象醉汉那样在黑暗中乱撞、翻跟头，想象液体的蒸发和冷却迫使分子互相靠近并减慢速度，这些随机运动的形状古怪的分子将成为混乱的一堆吗？通常不是，它们将形成晶格，每一个都整齐地和邻居相靠，形成行和列，象棋盘那样，虽然要复杂得多。

　　这个过程和魔法、分子的特殊属性甚至量子力都无关。蛋白质分子不需要特别匹配的形状就可以自组装成机器，放在一个盘子里的尺寸一致的珠子，只要轻轻摇晃也可以形成规则的图案。

　　晶体的生长是通过试探和去掉缺陷、通过变化和选择来完成的，没有一只小手来组装它们。晶体可以从偶然聚集起来的一堆分子开始生长，分子们无规则地运动，撞击，随机地聚集成块，如果他们恰好按照正确的结晶形状聚集起来，则这个随机块就会结合的很牢固，其它分子就开始结合到这个随机块上，然后形成小的结晶体，那些结合到不正确位置上的分子由于结合不牢固会被晃掉，而结合到正确位置上的分子则保持位置不变，一层又一层地不断扩展晶格，虽然分子随机地碰撞，但它们的结合却不是随机的，有序就这样通过变化和选择从混沌中产生。

　　 　　进化的分子

　　在晶体生长过程中，每一层都可以成为下一层的模板，相同的层堆积起来形成一个固体块。

　　在细胞中，DNA或RNA链也能起模板的作用，当然要在作为分子复印机的酶的帮助下，只是核酸的子单位可以有多种排列形式，一条模板链可以与它的复制品分离，然后这条模板链和它的复制链都可以被再次复制。生化学家Sol Spiegelman做过试验，把一种复制机器（从病毒中取得的一种蛋白），放在一个很简单的无生命的试管环境中，它就能复制RNA分子。

　　想象有一条RNA链漂浮在试管中，同时试管内还有复制机器（蛋白质）和用来组成RNA的子单位（核苷酸）。RNA链不断翻滚、扭曲直到它撞到了复制机器的正确位置上并被复制机器抓住作为模板链，周围的RNA子单位也不断碰撞，直到有一个合适类型的子单位碰巧撞到了复制机器上的匹配模板链的正确位置上，在它进入位置后，机器就抓住它并把它连到正在生长的复制链上，虽然子单位是随机地碰撞，机器却是有选择地连接它们，最后，复制机器，模板和复制品互相分离，一次复制完成。

　　按照牛津大学动物学家Richard Dawkins的说法，可以复制自身的东西称为复制机，在上述情况中，RNA是符合这个条件的：一个单个的RNA分子很快变成两个，然后是4个，8个，16，32，以此类推，呈指数式增长，最后复制速率变得稳定下来:固定数量的复制机器只能按这样的速率来复制RNA，不管有多少模板分子在等待被复制，最后原材料变得稀少，复制因为饥饿而停止。分子因为人口爆炸而达到了增长的极限所以停止了再造。

　　然而复制的机器经常错误地抄写RNA链，增加，删除或者误配子单位，结果这条变异的链就有了不同的长度或者不同的排列。这种改变是相当随机的，但是变化会随着错误的复制而积累起来。随着分子的扩散，它们变得和它们的祖先不同并且彼此之间也不相同，这也许就是混沌产生的原因之一吧。

　　生化学家发现不同的RNA分子具有不同的复制速率，这与它们的长度和子单位排列方式有关，较快的自复制者的后代通常会变得更多更常见，事实上，一种自复制者仅仅只要比它的兄弟们快10%，那么在100代之后，它的后代的数量就是其他种类数量的1000倍左右，微小的差距在经过指数增长后会成指数级的积累。

　　当试管中的子单位用光了之后，实验者可以从中取一个样本，然后去“感染”一个新的试管。上述过程再一次开始，在第一回合的竞争中胜出的分子将取得领先地位，然后更多的微小差异又在复制中产生了，在一段时间后累积成了巨大的差异。一些分子复制的较快，再一次它们的种群控制了整个试管，当资源耗尽后，实验者又可以取样然后再一次开始（并且一再重复这个过程），并保持外部条件不变。

　　这个实验揭示了一个自然过程：不管实验开始时的RNA序列是如何排列的，类似的随机错误和偏好的复制将导致某一种RNA分子（携带有某种复制错误）胜出。典型的结果是一种已知的，被明确定义的有220个子单位的序列。这是这个环境下的最好的RNA种类，所以它挤掉了其它的同类并延续下来了。

　　长期的复制，误复制和竞争通常导致同样的结果，不管开始时的RNA分子长度或序列如何。虽然没人能预言这个胜出的序列，但是谁都可以看出改变和竞争趋向于导致唯一的一个赢家。在这样简单的系统中几乎不会有其它的结果。如果这些自复制者能强烈地影响别的个体（或许是通过有选择地攻击别人或彼此帮助），那么结果将变得像个更复杂的生态系统。实质上，它们只是在为资源而竞争。

　　这个例子的一个变种显示给我们其它的一些东西：RNA分子用不同的方式适应不同的环境。通常一种被称为核糖核酸酶的分子机器可以抓住一个具有某种特殊序列的暴露在外的子单位的RNA分子，把它一剪为二，而RNA分子象蛋白质分子一样，可以根据它们自身子单位的序列不同而折叠成不同的形状，如果折叠正确，它们就能把自身容易受攻击的点保护起来不会被剪断。实验者发现，当周围有核糖核酸酶存在的时候，RNA分子会牺牲复制速度而进化出更具保护性的形式，根据这种条件，再一次，新的竞争的冠军出现了。

　　注意生物学上发展了这样的描述：由于分子复制自己，所以可以用“代”来描述，“遗传自”共同的“祖先”的分子们是“亲戚”，名词“生长”、“繁殖”、“突变”和“竞争”对分子来说也似乎是正确的。为什么会这样？因为这些分子在复制自己的同时随之有微小的变异，就象生物体中的基因做的那样，当变化的自复制机取得了不同程度的成功后，许多的成功便会累积起来。这一过程——不论在哪里发生——被称为“进化”。

　　在这个试管的例子里我们可以抛开对生命进化的情绪化的争论而看到进化的本质。RNA复制机和蛋白质复制机是遵守已被我们熟知的法则的被明确定义的原子集合，在可重复的实验室条件下可以进化。生化学家可以用放在架子上的化学试剂制造RNA和蛋白质，而不用生命体的帮助。

　　生物化学家借用的这种复制机器是从一种病毒中得到的，这种病毒感染细菌，使用RNA作为遗传材料，它们通过进入细菌体内，利用细菌的资源复制自身，然后打破细菌跑出去感染其它细菌而生存。病毒RNA若产生复制错误则会产生变异的病毒，而能更成功地复制自己的病毒会更普遍地出现。这就是自然选择下的进化，显然称其为“自然”是因为它是自然中存在的非人工物体。但是与试管中的RNA不同，病毒RNA必须比仅仅复制自己做更多的事，成功的病毒RNA必须同时还能指导细菌的核糖体制造自身所需的蛋白质，以便能让它们跑出细菌体内，并在细菌体外存活，最后能进入一个新的细菌体内。这些附加的信息使得病毒RNA分子有4500个子单位那么长。

　　为了成功复制，更巨大的生物体内的DNA要做更多的事，指导合成数万种不同的蛋白质机器，发展成复杂的组织和器官。这需要数千的基因片断来完成，也就是1015个编码的DNA子单位。但是基本的通过变化和选择而实现的进化过程是保持不变的，无论是在试管里，还是在病毒里，还是在更复杂的情况下。

　　 　　解说有序

　　至少有三种方法来解释分子自复制机的进化，不管这自复制机是试管RNA，病毒基因还是人类基因，第一种解释方法是记流水帐：从中看出变异是怎样发生的并且是怎样扩展的，如果不记录所有的分子事件这肯定是无法完成的。

　　第二种解释方法借助于一个可能会引起误会的单词：目的。具体来说，分子只是偶然的改变和有选择地复制。让我们回到进化过程，你可以这样来描述：分子改变自己来完成复制自己的任务。为什么RNA分子在核糖核酸酶的威胁下会进化折叠起来？答案存在于长而详尽的历史中，当然，短语“它们试图躲避攻击以便存活下来并复制自己”也能预言同样的结果。目的这个词的语义能很简洁地描述它（试试不用它来解释人类的行为），目的论并不是大脑活动的结果，RNA的例子明白地显示了这个道理。

　　第三种（也是最好的一种）解释是——在进化的角度——有序通过复制机的变化和选择慢慢显现出来。分子按照特定方式折叠是因为它遵照成功繁殖下来的祖先的形状（因为躲避攻击等等原因），并且传给后代，包括它自己。象Richard Dawkins指出的那样，目的的语言（如果我们小心地使用的话）可以被翻译成进化的语言。

　　进化保留了成功的图案丢掉了不成功的改革，因此也解释了否定之否定就是肯定的道理——一个似乎有点难把握的道理。也解释了什么是有形的和无形的，因为只有成功的动物才可以把它们以及后代的骨头胡乱丢在地上，不成功的生物连化石都没留下多少。

　　人类思维趋向于集中在可见的事物上，寻找导致正确结果的正确原因，和存在于有序结果后面的有序的力的作用。通过思考我们可以看到这一改变了我们的过去并将形成未来的伟大的定律：进化是通过复制机的改变和选择来进行的。

　　 　　进化的生物

　　生命的历史就是一部分子机器的军备竞赛史。今天，这场竞赛达到了一个新的发展更快的阶段，我们必须确信我们明白这场革命的根有多深。在过去的一段时间内，生物进化论在学院中的势力是微弱的并且时常遭到攻击，我们应该记得支持它的证据象岩石那般确凿并且象细胞那样普遍。

　　在石头中记录了地球自己的生命历史。在湖底和海床上，贝壳、骨头、泥沙在一层又一层地堆积着，有时被突然的暗流和地质剧变冲掉了一些层。一般情况下它们不断地加厚，早期的层被埋在底下，被压碎、烘烤以及被含有矿物质的水浸润，然后变成石头。

　　几个世纪以来，地质学家们通过研究石头来阅读地球的历史。很久以前，他们就在很多山脉的碎石中发现海贝壳的存在。在1785年——达尔文的著作发表之前74年——James Hutton就推断海床上的淤泥可以被压成岩石然后被某种还不清楚的力向上推出海面，地质学家们还能作出什么别的结论吗？除非自然在撒谎。

　　他们看到骨头和贝壳的化石每层都不同，同时他们也发现在某些地方的某层的贝壳和另一些地方的某层的很相似，虽然这些层之间地理上可能相差很远。他们把这些层命名为（A,B,C,D...,或者低奥斯特群，高奥斯特群什么的），利用有典型性的化石来跟踪岩石层。地壳的运动使得没有一处地方可以显示出完整的岩层序列，地质学家们在某处发现的是A,B,C,D,E,在另一处发现的是C,D,E,F,G,H,I,J而在又一处会发现J,K,L或A,L。石油地质学家（即使他们对进化论一无所知）现在仍然使用化石来界定和跟踪岩层，通过到处打眼来实现。

　　科学家们得出了显而易见的结论，和现代海洋种群生活在很宽广的范围内一样，以前的种群也是这样；和今天的新层堆积在旧层上一样，以前也是这样。类似层中的类似的贝壳表明它们是在同一个年代沉淀下来的。不同岩层中的贝壳不同表明物种随着时间的推移而改变。这就是地质学家在写在岩石书页上的贝壳和骨头中所发现的。

　　最上面的岩层中包容了最近的动物，深层的岩层中包含了已经灭绝的动物。并且早期的层中没有一点现代物种的痕迹。哺乳动物的化石下面是恐龙化石；更古老的层中是两栖动物，在往前是贝壳和鱼的化石，然后就没有任何生物的化石了。最早的化石岩层显示了单细胞生物的存在。

　　放射性年代测定显示这些最早的生命痕迹存在于几十亿年前。比细菌更复杂的细胞出现于十亿年前。而蠕虫，鱼，两栖动物，爬虫类，和哺乳动物的历史则延续了几亿年，原始人的骨头化石出现于几百万年前，文明的遗迹则回溯到几千年前。

　　在30亿年间，生命从只能吸收简单化学物质的单细胞进化到了可以吸收思想的复杂多细胞体。从上个世纪以来（本文写于1986年——译注），技术也已经从蒸汽机车和电灯进化到了宇宙飞船和电子计算机——并且计算机已经开始学习阅读和写作。进化率成百万倍地提高了。

　　 　　另一条回溯之路

　　化石之书记录了死亡很久的生物，然而活细胞里也存储有历史记录，现在基因文字已经可以被阅读。从地质学的角度来说，进化的基本观点早在达尔文之前就已经写在纸上了。

　　在灯火通明的寺庙和修道院里，一代又一代的抄写员们一再地抄写着手稿，有时他们会抄错单词和句子——不管是因为事故，心情不好或者是上司的催促——在这些人力复制机器的抄写下，手稿被复制着，错误也在累积着。最严重的错误可能被删除，著名的段落可能不会被改变，但是差异在增长。

　　古老的书籍很少留存下原著版本，最早的手抄本也往往比遗失的原著要晚几个世纪。虽然如此，从携带有不同错误的不同的复制版本中，学者们仍然可以重构出接近原著的版本。

　　他们比较正文，可以追踪出某些行有共同的原始版本，因为一些独特的错误显示了它们来自于一个共同的源头。（学校教师都知道这个道理：同样的正确答案说明不了什么——除非是写论文——但是如果坐在一起考试的学生们出的错也都一样，那他们可就惨了），在所有副本都一致的情况下，学者们就可以假设原始版本（至少是这些副本最近的祖先）也有相同的单词，如果副本之间不一致，学者们就研究从另一个较远祖先那里流传下来的副本，因为更宽范围内的一致性可以指向一个共同的源头。

　　基因类似于手稿,由一串只有四个字母的语言写成。和一串用通用语言写成的讯息（用完全不同的单词重述一个意思并不是很麻烦的事）相似，不同的基因词组可以指导建造出相同的蛋白质分子。此外，具有不同设计细节的蛋白质分子也可以完成相同的工作。细胞中的基因集合就象一整部书，而基因——象旧手稿一样——被不太精确地不断复制着。

　　与学者们研究古文相类似，生物学家们通常使用原始材料的现代副本来工作（唉，没有关于早期生命的“死海卷轴”出现）。他们比较具有相似外观的生物（狮子和老虎，马和斑马，家鼠和野鼠），从它们的基因和蛋白质中发现对于所探讨的问题有着相似的答案。两种生物越不同（狮子和蜥蜴，人和向日葵），答案相差也越大，即使是在完成同样工作的分子机器之间相比较也是这样。更明显地，相类似的动物也犯着类似的错误——例如所有的灵长类动物都缺乏制造维生素C的酶，这种缺陷只和两种其它的哺乳动物所共享，豚鼠和蝙蝠。这也意味着灵长类动物都拷贝自同一个基因祖先，当然是在很久以前。

　　揭示了古文继承关系的法则（也有助于纠正副本的错误）同样也揭示了现代生命的继承关系。事实上，它揭示了所有的已知生物都来自于一个共同的祖先。

　　 　　复制机的崛起

　　地球上第一次进化出的自复制机功能就远超出了那些能在试管里复制自己的RNA分子，当进化到细菌的阶段时，它们就已经进化出了“现代化”的系统，即用DNA,RNA，和核糖体来建造蛋白质。突变不仅改变了可复制的DNA本身，也改变了蛋白质机器以及由它们构建而形成的生物体。

　　基因组形成了更精细的细胞，指导细胞间的合作以形成复杂的生物体。变化和选择赐予了野兽们有用的基因组，所以它们可以生成尖牙利齿，厚厚的毛皮，强壮的神经和肌肉以及指引它们的眼睛和大脑。 正如Richard Dawkins所说，基因建造了更精细的生存机器来帮助它们复制自己。

　　狗的基因复制时，常常混入一些被人类所选择的狗的基因，人们有选择地配种，并且有选择地抚养它们的后代，最终就把狗从与狼类似的野兽培养成了灰狗，狮子狗，德国猎犬，和圣伯纳德狗等。通过选择性地去留基因，人们重塑了狗的外形和性情。人的需求界定了成功的狗的基因，而生存的压力则定义了狼的成功基因。

　　基因的突变和选择，在经过很长的时间后，使世界充满了花草和树木，昆虫和鱼类，以及人类。在近代，更新鲜的事物开始出现并快速增长——工具、房屋、飞机，和计算机。和无生命的RNA分子一样，这些硬件也在进化。

　　 　　进化的技术

　　地球上的岩石记录了曾经出现过的复杂而能干的生命形式，人类文明的遗址和著述也记录了曾经出现的复杂而多能的硬件形式，我们最早的硬件就是石头本身，和我们祖先的化石一同埋在地下，而我们最新的硬件正在我们头顶上的高空轨道运行。

　　我们来考察一下航天飞机的混血血统，在它的飞机血统方面来说，它继承自六十年代的铝合金喷气式飞机，而从这些飞机又可以回溯到二战时那些铝制的螺旋桨式飞机，再到一战时那些木制双翼机，到赖特兄弟的动力滑翔机，到纸飞机和风筝。在它的火箭血统方面来说，航天飞机继承自登月火箭，可以向前回溯到导弹，火箭弹，一直到烟花玩具。从这些飞机/火箭的混合档案中，通过不同的零件和设计，宇航工程师们还可以进化出更好的东西。

　　工程师们常提到技术的“代”，日本的“第五代”计算机计划显示了一些技术发展有多快。同时他们也谈到“混血儿”，“竞争技术”，及它们的“增殖”。IBM研发主管Ralph E.Gomory强调了技术的自然进化，他写道：“技术的发展不是象人们想象的那样经常是革命性的或者以突破为导向的，而更多的情况下是逐渐进化的”（的却，即使象分子组装机这样重要的突破也是由很多个小步发展而来的），在本章开始引用的

　　卡内基-梅隆大学的Herbert A. Simon教授的话是这么说的“把设计过程想象为首先产生许多可供选择的方案，然后用所有需求和限制的组合来测试它们。”产生和测试许多可供选择的方 案和变异-选择是同义语。

　　有时各种各样的备选方案已经存在，“一个高度进化的工具箱”，J. Baldwin 在《未来的全球目录》中写道：“我们的便携式车间已经进化了约二十年，事实上没什么特别的，我们只是在不断地扔掉旧的和不适用的工具并用更合手的工具来替代它们，形成了一个可以造东西的系统集合，而不仅是一堆硬件。”

　　Baldwin准确地使用了术语“进化”，在过去的千年里发明和制造了无数的工具产品，最后通过竞争选择，留下工作最好的工具和其它工具一起为了Baldwin的需求而服务。经过成年累月的变异与选择，他的系统进化了——这是他高度推荐的一种过程。同时，他极力劝说永远不要试图购买一整套工具，而是买那个经常被借用的，因为工具是被实际使用经验所选择而不是被理论所选择的。

　　技术的变异常常是有计划的，因为工程师们的工作就是发明和测试。当然有时候会因为很偶然的原因而出现新奇的事物，比如在充满四氟乙烯的罐中发现了天然的聚四氟乙烯的例子，在阀门打开的时候本来应该是气体的罐中出现了一种奇怪的腊状固体。其它的一些新鲜事物是由于系统的错误而出现的，爱迪生为了寻找制作灯丝的材料曾经尝试炭化各种东西，从纸到竹子甚至蜘蛛网。Charles Goodyear把他的厨房搞的乱七八糟，尝试着把天然橡胶变得持久耐用的方法，直到他不小心把含有硫的橡胶掉进了炉子，这才有了硫化橡胶。

　　在工程上，有启发作用的尝试和错误，而不是完美的计划，给我们带来了很多好处，这也是工程师们制造模型的原因。 Peters 和 Waterman在他们的书《追求卓越》中表达了在公司产品和政策方面的同样的道理。这就是为什么卓越的公司都创造“一种鼓励实验的环境和气氛”以及为什么它们可以“按照一种非常达尔文化的途径”进化。

　　工厂是通过变异和选择达到有序的。初级的质量控制系统在装配成品前测试并抛弃有缺陷的零件，高级的质量控制系统采用统计学的方法寻找缺陷产生的源头，帮助工程师们改进处理过程以减少质量问题的发生。日本的工程师们，按照W. Edwards Deming的建立在统计学基础上的质量控制理论，使得这种变异与选择的工业体系成为了他们国家经济的支柱。基于复制机基础的系统也将需要检测结果以便消除错误。

　　质量控制是一种进化过程，其重点不在于改变而是在于消除有害的变种。但是就象达尔文式的进化可以保留和发展有益的变种一样，好的质量控制体系也可以帮助管理者和工人保留和发展更有效的处理过程，无论它们是被设计出来的还是被偶然发现的。

　　所有这些工程师和制造者所做的工作都是为了使最终产品通过测试。扩展到市场范围，无数种类的扳手、汽车、袜子等等都在为了赢得客户的喜爱而竞争。在见多识广的买主可以自由选择的情况下，那些性价比不好的产品最终会被淘汰。就象在自然界，竞争测验会使昨日的最好的竞争者变成明日的化石。“生态系统”和“经济系统”不仅仅在词源上相同。

　　不管是在市场还是在战场，全球竞争都在驱动各个组织去发明，购买，乞求，甚至偷窃更有力的技术。一些组织通过为民众提供丰富的商品来提高竞争力，而另一些通过超级武器来胁迫民众。进化的压力会同时推动两者。

　　全球技术竞赛其实已经被加速了几十亿年了，蚯蚓的盲瞎并不能阻止鸟类发展它们锐利的眼睛，而鸟类的小脑袋和翅膀也不能阻碍人类发展手、脑和鸟枪。同样的，地方法令也不能阻止军事和商业技术的进步。看起来我们必须指引技术竞赛的方向，否则会走向灭亡，虽然技术进化的力量正在嘲笑反技术运动。生命的历史和新技术的潜力暗示了某种解决方案，但这是第三部分的事了。

　　设计的进化

　　似乎设计提供了一种解决方案，但是设计通过两种截然不同的方式进化。首先，设计通过实践来进化，工程师们不仅积累有用的设计，也积累有用的设计方法，这个范围包括从挑选水管的标准手册到组织研发的管理系统等。Alfred North Whitehead

　　说过：“十九世纪最伟大的发明就是发明了发明的方法”。

　　其次，设计也通过变异和选择来完善自己，工程师们通常使用进化了的数学模型来进行，比如说，热流和弹性变形的虚拟测试。因此也进化出了设计循环，计算，评估，然后重新设计，减少切削金属的代价。设计的产物于是通过一种非物质的形式进化。

　　例如胡克定律，描述了金属的弯曲和伸展：形变和外力是成正比的，两倍的拉力导致两倍的伸长。虽然只是近似定律，但是在金属的屈服极限内它还是相当精确的。工程师们可以按照胡克定律设计一种可以承重的金属条，然后把算出来的厚度加厚一点以便弥补定律和计算中的不精确。他们也可以应用胡克定律来描述机翼的弯曲和扭转，以及网球拍，汽车框架等的变形，但是简单的数学公式不能很好地适用于如此复杂的结构，所以工程师们必须在较简单的条件下应用这些方程（把设计分成很多小块），然后把这些小块集中起来以便可以描述整个物体的形变。这是一种方法（称为“有限元分析”），通常需要大量的运算，如果没有计算机的话就没什么实际价值，而有了计算机，它就成为了普遍使用的方法。

　　这样的模拟是古老的发展过程的延伸，我们永远在充满想象力地推理，怀着希望和恐惧。当我们必须要选择一条行动路线时，简单的心理模式（不管是天生的还是通过学习得来的）无疑地能很好地指导动物们。使用更精确的心理模型，思维体验可以代替更昂贵（或更致命的）物理试验——一种使进化受益的进步。工程模拟把这种能力发展成想象推理，尽量先在想象中犯错误，而不是在实际中再犯错误。

　　在“一个高度进化的工具箱中，”J. Baldwin论述了工具和想法是如何在加工车间里互动的：“你开始按照最终目的来组织你的工具，当原料供应商告诉你这东西会变成汽车时……而如果你不知道将用于什么目的和其它的工具如何工作时你就不能确定在你的设计中采用何种工具。”

　　熟悉工具的性能是重要的，当你在下个星期三之前就要提交项目计划时，同样重要的是形成能把握下一个十年的突破的策略。我们对未来的工具越了解，我们的计划的生存力就越高。

　　一个在车间里工作的工人可以使工具保持在他的视野里，每天和它们一起工作使他的眼睛，脑和手熟悉了这些工具，于是他渐渐地了解了它们的能力，并可以把这些知识立刻应用于发明创造中。但是——象我们——这些想要了解未来的人们必须面对更大的挑战，因为未来的工具仅仅存在于思想中以及自然法则所暗示的可能性中。这些工具既没有挂在墙上也没有通过看，听和触摸印在我们的脑海里，除非它们已经变成存在的硬件。在接下来的预备年代里，学习、想象和思考将使它们的性能在我们头脑中具体化。

　　新复制机是什么？ 　　 　　历史显示了硬件也在进化，试管RNA，病毒，和狗也都显示了通过自复制的改变和测试而实现的进化是如何进行的。但是今天的硬件还不能复制自己——那么技术进化后面的复制机在哪里呢？机器的基因又在哪里呢？

　　当然，我们事实上不必明确定义复制机来识别进化。达尔文在孟德尔发现基因之前就论述了进化，基因学家们也在沃森和克里克发现DNA结构之前就了解了很多遗传规律。达尔文不需要有分子基因的知识就可以看到物种的变化和预言一些物种有更多的后代。

　　复制机是能得到自身复制品的某种形式，可能需要某种帮助。没有蛋白质机器帮助的话，DNA就不能被复制。按照这种标准，某些机器就是复制机！一些公司生产的机器会落入竞争者手中，于是竞争者就获得了它们的秘密从而复制出来，就象基因“使用”蛋白质机器来复制自己一样，这类机器靠着人的大脑和手来复制自己。通过纳米计算机指导下的组装机和分解机，硬件的复制过程将会变得自动。

　　人类大脑，在模仿方面要超出任何蛋白质机器或组装机许多倍，通过谈话，写作和画图，设计可以在形成硬件之前就在人们头脑中传播。存在于设计方法后面的思想，比硬件更抽象，只在特殊的符号系统中复制和起作用。

　　基因一代一代地进化了无数代，而精神复制机也一天一天地进化了几十年。和基因一样，思想可以被分割，连接，可以有多种形式（基因可以被DNA和RNA描述并复制，思想可以被从一种语言翻译成另一种语言）。科学现在还不能描述大脑中形成思想的神经网络，但是谁都可以看见思想变异，复制和竞争。思想也在进化。

　　Richard Dawkins把精神复制的单位称作“拟子（memes）”（meme与cream比较押韵）。他说“拟子的实例是曲调，想法，短语，衣服式样，制罐方法或造弓箭的方法。和基因通过精液或蛋在基因池中繁殖并一代代传下去一样，拟子也在meme池中繁殖并通过某种过程在大脑之间流传，在更宽的意义上来说，可以称此为模仿”。

　　思维的产物

　　拟子被复制是因为人们既学又教，它们变化是因为人们创造新的并误解旧的，它们被选择是因为人们并不完全相信它们听到的事情。就象试管中的RNA通过竞争来夺取相对稀少的复制机器和子单位一样，拟子也必须争夺稀缺资源——人们的关注和努力。由于拟子影响人们的行为举止，所以它们的成功或失败是件很严重的事情。

　　从远古以来，行为举止和思维模式不断从父辈传给后代，可以帮助生存和繁衍的Meme形式就可以不断扩展。（食物要在烹饪后才能食用；不要吃那种果子，它们邪恶的灵魂会扭曲你的内脏。）一年又一年，人们各式各样的行动产生了不同的结果，年复一年，一些Meme死去了而另一些因为发现了新的生存之道而延续下来。基因构建的大脑熟练地模仿是因为模仿是一种很有价值的形式——使它们的载运者能生存下来并传播它们。

　　拟子自身也必须面对“生”与“死”：作为复制机，它们孤独地为生存和传播而进化。就象病毒，它们不用管宿主的生存和健康就可以复制自己。事实上，为某种目的而牺牲的meme可以通过杀死宿主来传播自身。

　　而基因，就象meme，使用很多种生存策略。某些鸭子基因通过鼓励鸭子成对地孵蛋和照顾小鸭子来延续自身。而另一些则通过鼓励掠夺来发展，还有一些（在雌鸭子中）通过怂恿雌鸭子把蛋下在别的鸭巢内而生存。还有一些在鸭子体内发现的基因是病毒基因，它们可以不用通过繁殖更多的鸭子来传播。保护自己下的蛋可以帮助鸭子种群（和存在于个体中的基因）存活；掠夺帮助一套基因通过战胜另外的一些基因而存活；感染通常帮助病毒基因而损害鸭子基因。正如Richard Dawkins所说，基因只“关心”自己的复制，它们是自私的。

　　但是出于自私的目的也会鼓励合作。人们出于为自己挣钱和获得赞赏的目的而合作组织起公司来为他人的需求服务。自私的基因合作构建生物体，并且生物体也互相合作。虽然如此，认为基因会自发地服务于某种更大的东西（为它们的染色体？为它们的细胞？为它们的生物个体？为它们的种群？）是对隐藏在共同的结果后面的原因的误解。忽视复制机的自私将会使我们陷入危险的幻觉中。

　　某些细胞中的基因是不折不扣的寄生虫。比如人类染色体中插入的疱疹基因，它们开采细胞从而伤害它们的宿主。那么既然基因可以成为寄生虫，为什么拟子不会呢？

　　在《扩展的显形》中，Richard Dawkins描述了一种寄生于蜜蜂体内的蠕虫，它们最后在水中完成它们的生命循环。它们通过促使蜜蜂一头扎入水中自杀来从蜜蜂体内进入水中。类似的，蚂蚁脑中的一种寄生虫需要在绵羊体内完成它们的生命循环，为了达到这个目的，它们进入蚂蚁的脑袋，不知怎么使得蚂蚁主动爬到草尖上等着，直到最后被绵羊吃进去。

　　就象寄生虫进入其它生物体内并利用它们生存和复制一样，拟子也会干同样的事。事实上，如果能消除驱使人们为自私的目的而工作的拟子将形成令人吃惊的，某种强大力量的表现形式——事实上接近完美的——精神免疫系统。但是拟子寄生虫确实存在，正如病毒进化出刺激细胞产生病毒的机制，谣言也会变得看上去合理和有声有色的，来刺激传播。不要管谣言是否是真的，而要问它们是如何传播的。经验证明观念进化为成功的复制机与它们是否是真理没有一点关系。

　　在最好的情况下，连锁信，编造的谣言，流行性精神病，以及其它的精神寄生虫浪费人们的时间，在最坏的情况下，它们灌输致命的错觉。这些meme系统攻击人们的无知和弱点。传播它们就象患了感冒然后冲朋友打喷嚏。虽然某些拟子象病毒，但是传染性也并不总是坏的（想想那些有感染性的笑声，和好的天性的流露吧）。如果观念是有益的，它的传播也只是增加它们的益处——事实上，最好的道德教育也会教育我们传播道德规范。好的出版物可以使我们得到娱乐，加深理解，帮助判断——并劝告人们捐赠礼物。传播有益的meme系统就象给我们的朋友的花园提供有用的种子。 　　

　　选择的观念

　　寄生虫迫使生物体进化出免疫系统，例如细菌用来切断入侵病毒的酶，或是我们体内用来摧毁细菌的白血球。寄生的拟子也迫使我们的大脑做同样的事，进化出可称为精神免疫系统的meme系统。

　　最古老和最简单的精神免疫系统就是“相信老的，拒绝新的”。类似于这样的系统会阻止部落里产生抛弃旧的传统并去测试新的疯狂的想法的观念——例如“遵从神示销毁所有的牲畜和谷物将会带来丰富的食物和祖先的军队帮助驱赶外来者”。（这种meme在1856年时感染了南非的科萨人，第二年就饿死了68000人）。

　　你体内的免疫系统遵循一条简单的法则：它通常接受所有在早期生命中存活下来的细胞形式，而抵制新的形式诸如癌细胞和入侵的细菌，把它们看作外来的和危险的。这种简单的“抗新”系统曾经工作得很好，但是在现在这个器官移植的年代它却变成致命的了。同样的，在这个科学技术不断发展出既新又可靠的事实的年代，一个严格的精神免疫系统就会变成危险的障碍。

　　尽管它有缺点，“抗新”法则仍然是简单而有益的。传统保留了许多经过考验的好的东西（如果不是最好的，至少也是可用的）。改变是有风险的：就象大部分突变都是有害的一样，大部分新想法都是错误的。甚至推理也是有危险的：如果传统认为对鬼的害怕是合理的，那么过于自信的推论可能把好的和坏的一起丢掉。不幸的是，那些有用的惯例常常没有那些听起来很好的观念更有吸引力——如果被质疑，最可靠的惯例往往会被错误的观念替代。

　　那些封闭思想不接受新事物的拟子采用了自发的方式来保护自己。在保护了有价值的传统的同时，它们可能也使得谎言不能被事实所验证。在一个快速变革的时代，它们可能使大脑变得可怕地死板。

　　大部分哲学和科学史都可以被看作一部寻求更好的精神免疫系统的历史，为了更好地抵制错误的，无益的，有危害的东西。最好的系统会尊重传统，同时也鼓励试验。它们提出评估拟子的标准，帮助大脑区分寄生虫和有用的工具。

　　进化的法则提供了一个看待改变的方法，无论是在分子，生物体，技术，思想或者文化领域。同样的问题会被一再提起：复制机是什么？它们如何改变？什么因素决定了它们的成功？它们怎样抵御入侵者？这些问题也将在我们思考组装机革命的后果时一再出现，同样将在我们考虑社会将如何对待这些结果时一再出现。

　　纳米技术的发展将遵循进化改变的法则，即使当硬件和生命的区别开始变得模糊不清。这些法则在很大程度上指示了我们能或不能希望做到的，它们也将帮助我们致力于形成未来。它们也告诉我们很多关于可预见和不可预见的知识，因为它们不仅支配硬件的进化，也支配着知识的进化。

第三章 预言和规划

　　批评的态度可以被看成是有意识地使我们的理论和假说先代替我们经受生存选择。它给了我们一个机会来去掉不合理的假说——而更独断的态度会通过消灭我们自己来去掉假说。 　　——卡尔·波普爵士（Sir KARL POPPER）　　

　　在我们向前展望技术竞赛将带我们去向何处时，我们应该问三个问题：什么是可能的，什么是可实现的，以及什么是我们想要的？

　　第一个问题，是与硬件有关的，自然法则限制了可能性。因为组装机将打通通往这些限制的路径，所以理解组装机便是理解什么是可能的这个问题的关键之处。

　　第二个问题，改变的法则和我们目前的状态就是可实现性的限制因素。因为进化的复制机将扮演一个重要角色，所以进化的原则就是理解什么是可实现的这个问题的关键之处。

　　至于什么是想要的和不想要的，可以这么看，我们的各种梦想刺激我们寻求多样性的空间，而我们共同的恐惧则驱使我们寻求一个安全的未来。

　　这三个问题——可能性，可实现性，需求性——形成了对远景的近似。首先，科学和工程知识描绘了关于可能性的界限的远景。虽然还很模糊和不完善，这幅图像还是界定了未来可以在其中运动的永久性的框架。其次，进化的法则决定了哪条路可行，并设置了实现的限度——包括低端限制，因为保证改良生命或者未来的军事力量的进步实际上是无法阻挡的。这就允许我们做出有限的预言：如果没完没了的进化竞赛不被突然停止的话，竞争的压力将使我们的科技的未来达到可能性的极限。最后，由于有很宽范围内的可能性和可实现性，我们能达到一个我们所想要的未来。

　　预言的缺陷

　　但是我们如何预知未来？政治的和经济的发展趋势是众所周知的变化无常，象掷骰子一样。即使相对稳定的技术进步也回避预言。

　　预言者常常推测装备新技术的时间和花费。当他们超过可能性的限度，而试图精确预言时，通常会失败。例如，虽然航天飞机无疑是可能实现的，但是预测它的首飞时间和研发成本则差了数年和数十亿美元。工程师们不能精确预言新技术将何时被开发出来，因为技术开发总是带有很多不确定因素。

　　但是我们不得不尝试预言和指导开发。我们将先开发怪物技术还是先开发笼子技术？某些怪物，一旦被释放，就不能再被装回笼子里了。为了生存，我们必须通过加速和限制开发来保持对技术的控制。

　　虽然一种技术有时可以阻止另一种技术产生的危险（防卫对进攻，污染控制对污染），竞争的技术常常向同一个方向发展。在1959年12月29日，诺贝尔奖得主Richard Feynman（理查德·费曼）在美国物理学会的年会上发表了一次演讲，题目叫“在底层有足够的空间”，他论述了一条接近纳米机械的非生物化学的路径（一步一步地缩小，用大点的机器来制造小点的机器），并说物理定律并不否定从原子组合来制造物体的可能性，这种尝试并不与任何法则冲突，这是某种从原理上来说可以达到的事情，但是实际上没有达到是因为我们太大了……最终，我们可以利用化学合成……把原子放在化学家所说的地方，你就会得到物质。简单地说，他勾画了另一条通向组装机的非生化路径。他并且说，“这是一个我认为不可避免的进步”。

　　就象我将在第四章和第五章将要讨论的那样，组装机和智能机器将简化很多关于技术进步的时间和花费方面的问题。但是从现在到这种突破到来之间的这段期间，时间和花费的问题将仍然是模糊的。理查德·费曼在1959年就说纳米机器将指导化学合成，大概也包括DNA的合成。然而他不能预测出做到这些的时间和花费。

　　事实上，当然，生化学家不用使用纳米机器就发展了制造DNA的技术，走了使用特殊化学窍门的捷径。获胜的技术常常因为不起眼的窍门和细节而成功。在1950年代中期，物理学家可以看出基本的半导体定律使得微电子电路成为可能，但是预见它们将如何被制造——预见掩模，阻抗，氧化生长，离子注入，光刻等等这些细节，以及它们的复杂程度——那时是不可能的。细节和使得技术胜出的竞争优势方面的细微差别使得技术竞赛复杂而难以预测。

　　但是这些会使得远期预测徒劳无用吗？在冲向自然法则所规定的极限的赛跑中，终点线是可以预言的即使跑道和赛跑者的步伐是不可预测的。是自然法则而不是人类的想象划出了终点线——没有任何行政干预，任何社会运动可以改变万有引力定律哪怕一点点。所以无论未来学家可能看见什么，发表对技术可能性的预测和预言是完全不同的。他们是基于永恒的自然规律，而不是异想天开。

　　不幸的是这种洞察力是非常罕见的，没有它，我们会迷失在可能性的丛林之中，搞不清山脉和海市蜃楼从而两者都不相信。我们使用在过去的漫长岁月中形成的观念和文化来展望前景，当科学和技术竞赛渐渐失去强度和速度时。我们只是在最近才开始进化科技预见的一般方法。

　　科学和自然法则

　　科学和技术是相辅相成的。工程师使用科学家发现的知识，科学家使用工程师制造的工具。科学家和工程师都使用数学语言来描述自然法则，都用试验的方法来验证概念。但是科学和技术在基础，方法，和目的上都是有根本区别的。了解这种区别对于预测是至关紧要的。虽然两个领域都由进化的meme系统组成，但是它们在不同的压力下进化。考虑一下科学知识的本源。

　　回顾从前的历史，人们几乎不了解进化。这使得哲学家认为感官证据，和推理是以某种方式把所有的人类知识——包括对自然规律的认识，印在人们脑海里的。但是在1737年，苏格兰哲学家David Hume（大卫·休姆）用一个令人不快的难题表述了它们：他说明通过观察并不能从逻辑上证明一个普遍规律，太阳过去每天升起并不能证明它明天也会升起。确实，太阳会在将来的某天消亡，从而反驳了太阳每天都会升起的逻辑。Hume的问题显示了推理产生的观念也不一定是可靠的，这极大地困扰了理性的哲学家们（包括他自己）。他们冥思苦想，产生了非理性主义。在1945年，哲学家Bertrand Russell（伯特兰·罗素）注意到“贯穿十九世纪并延伸到二十世纪的非理性的发展是因为Hume摧毁了经验主义而造成的结果。”Hume的难题Meme切断了理性观念的发展，至少在人们思考它的时候。

　　在近几十年来，Karl Popper（卡尔·波普，可能是最受科学家欢迎的科学哲学家），Thomas Kuhn（托马斯·库恩），以及其他人把科学作为一个进化的过程来认识。他们不是把它看作一个由观察产生结论的机械过程，而是看作一场争夺认可的观念之战。

　　所有的观念，象拟子一样，都在为获得认可而竞争，但是科学领域的meme系统是特殊的：它具有产生观念突变的传统，和一个独特的控制突变的免疫系统。进化的结果随着选择的压力的变化而不同，无论是在试管RNA分子，昆虫，想法，或机器中。为制冷而进化的硬件和为运输而进化的硬件是不同的，因此电冰箱和小汽车是完全不同的。更普遍地，为目的A而进化的复制机和为目的B而进化的复制机是不同的，拟子也不例外。

　　一般来说，观念可以进化成看起来象真理或者变成真理（通过向那些谨慎对待新观念的人示真），人类学家和历史学家描述了观念在缺乏科学方法的人群中是如何进化成伪真理的，这样的结果在世界范围内都是相当一致的（关于疾病的邪恶灵魂学说，关于星星是圆顶上的灯的学说等等）。心理学家探查人们关于物体下落的天真的错误观念时发现，对它们的确信在中世纪形成了正式的“科学”体系，在伽利略和牛顿出现以前。

　　伽利略和牛顿用实验和观察的方法来测试关于物体和运动的观念，开创了一个科学飞速发展的新时代。牛顿发展出了一个经受了无数考验的有用的理论。他们的仔细测试的方法消除了偏离真理很远的观念，包括那些已经在人类大脑中进化了的观念。

　　这种趋势在延续，更多的变化和测试使得科学观念更加进化，产生了一些奇异的理论，例如弯曲时空的相对论，量子力学中的粒子几率波函数。甚至生物学也抛弃了早期生物学家所信奉的特殊的“生命力”理论，代之以微小分子机器组成的精细系统理论。进化为真理（或接近真理）的观念，一次又一次地驱逐了错误的观念——或不可理喻的观念。真理和伪真理开始变得像汽车和电冰箱那样不同。

　　自然科学中的观念在几个基本的选择法则下进化。首先，科学家抛弃不可测试的推论，他们因此保证了大脑不会被无用的寄生虫所阻碍；其次，科学家们为那些没通过测试的想法寻找替代品；最后，科学家寻找那些为准确预言提供了很大可能的想法，例如万有引力原理，描述了石头如何下落，行星的轨道，和星系的漩涡，并做出了准确预言，使得它经受住了反驳。它的宽阔的适用范围和精确性使得它明显地有用，既可以帮助桥梁工程师又可以帮助宇航工程师。

　　科学的社会提供了一个拟子发展的环境，通过竞争和测试使得进化向着更有力和更精确的方向发展。对试验理论的重要性的认可使得科学社会能在关于理论本身的论战中保持团结。

　　不精确的、有限的证据不能证明一个精确的，通用的理论（就象Hume所说），但是它可以反驳一些理论从而帮助科学家们选择。和其它进化过程一样，科学通过否定之否定（反证不正确的理论）产生一些肯定的东西（不断增长的有用理论集合）。否定证据扮演的重要角色可以解释一些由科学引起的心理上的不安：作为反驳的原动力，它可以将我们珍爱的信仰连根拔除，但是不能填补由此产生的心理空虚。

　　在实际中，当然，很多科学知识是和砸在你脚趾头上的岩石一样结实的，我们知道地球绕着太阳转（虽然我们的感觉可能不是这样）是因为这一理论与无数次的观测相吻合，也是因为我们知道我们的感觉是不可靠的。我们有不止一个理论证明了原子的存在：我们使它们结合成分子，使它们发光，在电子显微镜下看到它们（刚刚可以），以及通过撞击使它们变成碎片。我们也有不止一种关于进化的理论：我们观察突变，观察选择，在实验室里看到了进化的过程。我们从我们星球上的岩石里面发现了过去进化的足迹，观察到了我们工具的进化，我们大脑的进化，和我们大脑中的思想的进化——包括进化的观念本身。科学过程形成了对无数事实的统一的解释，包括人类和科学本身是如何产生的。

　　当科学停止反证理论后，幸存者往往挤在一起没有区别。毕竟，任何两个幸存下来的理论之间的差别都会被用来反证彼此。例如存在于现代万有引力理论之间的差别过于细微以至于不能对计划在空间引力场中飞行的工程师的设计产生影响。事实上，工程师们还在使用牛顿的已被证否的万有引力定律来计划空间飞行，因为它比爱因斯坦的方程要简单，并且也足够精确了。爱因斯坦的引力理论到目前为止已经通过了所有测试，但是还是没有绝对的证据能证明它并且也永远不会有。他的理论几乎可以对任何地方的事物做出精确预言（至少在重力物质中），但是科学家们只能对某些地方的某些事情做出近似的测量。并且象Karl Popper指出的，你永远可以提出一种不能被现有证据所区分的与另一种理论十分接近的理论。

　　虽然媒体的讨论凸现了不稳定的，有争议的知识的轮廓，但是科学的取得认可的力量仍然是清楚的。其它的东西能这么快的增长，这么稳定和这么国际化吗？政治，宗教，或者艺术都不能。事实上，科学的主要对手是它的兄弟：工程，同样通过提议和严格的测试来进化。

　　科学 vs. 技术

　　IBM的研发主管Ralph E. Gomory说：“技术发展的进化常常在人们的印象中和科学相混淆”这种混淆阻碍了我们对远见的努力。

　　虽然工程师们也常常走在不可预知的路上，但他们不是象科学家一样是命中注定要这样的，他们可以避开提出精确的、普遍的科学理论所必然会有的风险。工程师们只要能知道在特定条件下的特定物体能工作正常就足够了。设计师既不需要知道吊桥绳索承受的精确拉力也不需要知道使它们断裂的精确拉力值，那些绳索会支撑住吊桥的，只要都在正确位置上，甭管它们到底是什么。

　　虽然测量不能证明精确的等式，它们却可以证明不等式。工程上的结果因此可以被证实而科学理论却做不到。工程结果甚至能在不被科学理论支持的情况下存在，直到新的理论得出同样的结果。例如组装机将会在我们关于量子力学和分子键的理论的诘难下生存。

　　预言新的科学知识的内容在逻辑上说是不可能的，因为我们不能声称我们已经知道了我们将在未来要学习的东西。从另一方面来说，预言未来的技术的细节，则仅仅是困难的。科学的目的是了解，而工程的目的是去做，这使得工程师们可以毫不犹豫地谈论未来的成就。他们可以在虚拟环境中进化他们的硬件，在切削金属或甚至在完善设计细节之前。

　　科学家们通常都知道在科学预言和技术预言之间的差别，他们更乐意对科学做出技术性的预言。例如，科学家们可以预言旅行者号发回的土星环的照片的清晰度，而不是它们的内容。事实上，他们可以在照相机还停留在设计图纸的时候就预言照片的清晰度。他们的计算使用了经过考验的光学定律，无须任何新的科学知识。

　　因为科学的目的是了解万物运动的规律，所以科学训练可以成为一个理解特殊硬件的很好的辅助手段。当然，它不能自动使我们成为工程专家。设计一架客机需要比冶金学和空气动力学多得多的知识。

　　科学家们被学院教育所鼓励使用现有的仪器来集中检验他们的观念。这种短期聚焦的结果对科学常常是有利的：它保证科学家不会在未经验证的幻想世界中徘徊，迅速的测试形成了一套有效的精神免疫系统。遗憾的是，这种短期测试使得科学家们对技术的长期进步熟视无睹。

　　关于科学不可能被真正预言的看法使得很多科学家把所有对未来的发展的预测都看作是“投机的”——用在科学的未来发展上是很合适的，但是用在技术方面是不适合的。即使大部分工程师也持类似的看法，他们同样也被教育，同事，雇主鼓励去关注仅仅一种问题：设计可被现有技术实现的系统。甚至长期的工程项目例如航天飞机也必须定个时间限度，在没有新的发展出现时。

　　简单地说，科学家拒绝预言未来的科学知识，并且很少讨论未来的技术发展。工程师计划未来的发展，但是很少讨论任何不是基于现有能力的东西。这产生了一个至关重要的空隙：基于现有科学理论但是要等未来的技术能力的工程进步会怎样呢。这一空隙产生了一个值得研究的果实丰富的领域。

　　设想一条用现有工具生产新工具的发展线路，然后用那些工具制造更新奇的硬件（也许包括另一代工具）。每套工具都建立在已知法则的基础上，整个发展过程可能要许多年，因为每一步都带来一大堆要解决的问题。科学家设计他们的下一个实验，工程师设计他们的下一个装置将迈出第一步。结果还是可以预见的，依赖于已有的科学知识提供的可能的范围。

　　近期的历史证明了这种模式，一些工程师在火箭飞到太空之前就考虑建立空间站，因为原理是足够清楚的，所以空间系统工程现在是一个繁荣的领域。相似地，一些数学家和工程师在计算机被造出之前就研究计算的可能性。所以一些科学家和工程师现在开始研究纳米技术是一点也不奇怪的，无论如何它会到来。

　　列奥纳多的教训

　　我们规划工程进展的努力已经有很长的历史了，过去的例子显示了今日的可能性。例如，列奥纳多·达芬奇是如何能预见这么多事情的，还有为什么他有时又预言错误？

　　列奥纳多生活在500年前，他的一生都致力于发现新世界，他通过绘画和发明来预示。每个设计都可以看作一个可以实现的预言。他是个成功的机械工程师，他设计了很多可工作的机器（有些在几个世纪后才被造出来），用于挖掘，金属加工，传输能量，以及其他目的。但他作为一个航空工程师却是失败的，我们现在知道他设计的飞行机器是不可能象他说的那样飞起来的。

　　他的在机械设计方面的成就是可以被理解的，如果部件能被足够精确地制造，采用足够结实的材料，那么设计慢速的，由杠杆，滑轮，和轴承组成的机器就是几何学和杠杆原理的事情了。列奥纳多对这些非常熟悉，所以他的某些“预言”是长期的，只是在人们可以制造出足够精确，硬度足够高，强度也足够高的零件（比如好的滚珠轴承）之后数年——他预言的机器才可以工作，而这已经是在他的预言之后300年的事了。同样的，高级的，有曲线轮齿的齿轮在列奥纳多画出它们之后200年才被造出，他的一种由链条驱动的设计也在几乎三个世纪后才出现。

　　他在飞行器方面的失败也是可以理解的，因为列奥纳多的时代还没有形成科学的空气动力学，他既不能计算机翼的升力和阻力也不知道如何控制和驱动飞行器。

　　那么我们这个时代的人能否有希望象列奥纳多·达芬奇准确预言金属机床那样准确地预测分子机器呢？我们能否避免犯象他设计飞行器那样的错误呢？列奥纳多的例子暗示了我们可以做到。列奥纳多可能自己也对他设计的飞机缺乏信心，但是他的错误中仍然可能含有正确的东西，他确信某种飞行机器是可以飞起来的，他确信是因为它们已经存在，飞鸟，蝙蝠和蜜蜂都证明了飞行的可能性。更进一步的说，尽管他的滚珠轴承，齿轮，链条传动没有先例，但他对它们的原理还是充满信心的。人类已经建立了大量几何学和杠杆方面的理论原理。对强度和精度方面的要求可能使他困惑，但不是在功能互动和运动方面。列奥纳多可以预言需要比他已知的部件更好的部件的机器，并对他的设计充满信心。

　　预言分子机器同样地依赖于很宽范围的知识基础，不仅需要几何学和杠杆原理，而且一般需要有化学键，统计力学，和物理学的知识。这次，材料性质和加工精度的问题不再分别出现，原子和键的性质就是材料性质，原子本身是标准的和预制好了的。因此我们现在能比列奥纳多时代更好地展望远景：与他们了解钢材和机械精度的程度相比，我们更了解分子和键的性质。另外，我们也可以象列奥纳多指出那些机器（飞鸟）已经飞起来那样地指出纳米机器已经存在于细胞中了。

　　预言第二代纳米机器可以被蛋白质机器制造出来当然要比达芬奇时代预言高精度机床可以被粗糙的机器生产出来要容易。学会用粗糙的机器生产精密的机器需要时间，并且方法也不是显而易见的，而分子机器，只要把预制好的原子部件组装起来就可以了。在那个时代想象用粗糙的机器生产精密的机器比我们现在想象分子组装要困难；除此之外，我们也知道自然中已经存在分子组装过程；再有，我们比达芬奇有更可靠的理论基础。

　　在达芬奇时代，人们对电磁学了解甚少，对分子和量子力学更是一无所知。因此，电灯，收音机，和计算机对他们来说是难以理解的。如今，在工程方面很重要的基础原理——描述普通物质的——好像已经被广泛接受了。象引力理论一样，科学的反证动力已经迫使现存的物质理论趋于一致。

　　这样的知识是现代才有的，本世纪之前，人们不了解为什么固体是结实的，或者为什么太阳会发光，科学家们也不知道分子，人类，行星，恒星等领域的基本规律。这也是为什么我们这个世纪产生了晶体管，氢弹，也是为什么分子技术在接近的原因。这些知识带来了新的希望和危险，但是至少它给了我们向前看和作准备的方法和手段。

　　在技术的基本规律被了解后，未来的可能性就可以被预见（虽然有差距，达芬奇还是能预见到机械计算机）。即使当基本规律不被了解时，就象达芬奇时代的空气动力学一样，自然还是能显示出可能性。最后，如果科学和自然都显示了可能性，这些教训也告诫我们要用心准备。

　　组装机突破

　　科学的基础可能会进化和改变，但是它们仍将持续地支撑起一个稳定的增长的工程大厦。最后，组装机将允许工程师制造出他们设计的任何东西，而不必顾及从前必须面对的材料和加工方面的问题。计算机模拟已经可以让工程师们非实物地进化他们的设计。所有这些都有利于允许我们预见——和发明更多的东西。

　　随着纳米技术的发展，组装机会成为伸手可及的东西，它们的特性也会变得清晰。

　　到那时，计算机辅助的分子系统设计——已经开始了的——将变得普遍和常用，也刺激了计算机技术的发展和对分子工程师的需求。使用这样的设计工具，工程师将能设计第二代纳米系统，包括用来建造它们的第二代组装机。更厉害的，通过允许一定程度的错误（为设计的变异作准备），工程师将能设计很多一造出来就能工作的机器——他们将在一个可以模拟分子的世界中进化设计。

　　这种设计导向的过程似乎是必然要发生的，唯一的问题是何时发生和它会走多远。在组装机实现突破之后的数年，会引发硬件大爆炸。我们是否能适当的设计，将决定我们是否能繁荣发展，或者毁灭我们自己。

　　组装机突破将影响到技术的所有方面，因此预见就成为一个艰巨的任务。在可能的机械装置方面，列奥纳多·达芬奇仅仅预言了很少一点。同样的，在未来技术的方向，现代思想也只能预见到很少一点。一点进步，但是似乎是基本的要素。

　　医药技术，空间探测，高性能计算机，和新的社会发明都会产生连锁反应，但是组装机突破将影响到上述所有方面，甚至更多。

第二部 可能的轮廓

第四章 富足的发动机

　　如果每件工具，在你命令它时，或者按照它本身的意愿，都可以去做它能做的事……那么就既不需要学徒也不需要奴隶了。 　　——亚里士多德　　

　　1981年3月27日，CBS新闻里提到了一位NASA科学家说工程师们可以在20年内制造出可以自复制的机器人，用在太空或地面上。这类机器可以复制自身，并且复制品可以被用来制造有用的产品。他对此深信不疑，只是不清楚何时能造出它们，他是非常正确的。

　　从1951年，John von Neumann（约翰·冯·诺依曼）概述了自复制机器的原理后，科学家就普遍承认了它们的可能性。在1953年沃森和克里克描述了DNA的结构，显示了生物体是如何传递信息并指导它们自身的建造的。生物学家由此掌握了很多细胞内的分子机器是如何工作的知识。发现它们遵循von Neumann描述的原理。象飞鸟证明了飞行的可能性一样，生命也普遍证明了自复制的可能性，至少是通过分子机器系统。那个NASA科学家，脑袋里的确有点特别的东西。

　　叮当作响的复制机

　　生物自复制机，例如病毒，细菌，植物，和人，使用分子机器。人造自复制机可以使用体积技术来代替，利用我们现在的体积技术，工程师们可以用来制造自复制机，在分子技术到来之前。

　　关于神奇的“生命力”的古老神话（加上认为熵增加会导致万物灭亡的错误观念）产生了一个meme，认为自复制机与自然规律冲突。这当然是错的，生物化学家们都知道细胞是怎样复制的，并且没有任何魔法在里面。而且，他们发现了组成细胞机器的所有原材料，供应的能量，和完成工作的指令。细胞确实在复制，机器人也能复制。

　　自动化的进步将自然而然地带领我们走向机械自复制机，无论是否设定了一个特别的目标。竞争的压力使我们发展了自动化，工厂对人工劳动的需求将会减少。富士-法纳克已经在一个工厂内实现了每天24小时不停的制造，而只有19个工人轮班值日，晚上则无人值守。这个工厂每月生产250台机器，其中100台是机器人。

　　最终，机器人可以做所有的机器人的组装工作，还可以组装其它的设备，制造需要的部件，开采矿山，开动发电机，为各种工厂供应原料和能源，等等。虽然这样的分布式工厂网络还不能组装能怀孕的机器人，但可以形成一个自扩张，自复制的系统。虽然组装机突破将必然在工业实现完全自动化之前到来，但是在此方向上的现代进步将朝向一种巨大的，叮当作响的复制机。

　　但是这样的系统如何能在没有人干预的情况下维护和修复自己呢？

　　想象一个自动化的工厂既能测试部件又可以组装设备。未通过测试的坏的部件被扔掉或者投入再循环。如果这个工厂同时还能制造机器的部件，那么维修也是简单的：只要拆开坏的机器，测试所有部件，替换损坏的部件，然后再把它们组装起来就行了。一个更有效的系统可以诊断问题而不用测试所有的部件，但这并不是必须的。

　　一个由机器人维持的巨大的工厂体系可以是有用的但是却是笨拙的。使用更聪明的设计和最小化不同的部件，原材料，工程师们可以把一个自复制系统装到一个盒子里——但是这个盒子可能还是很巨大，因为它必须囊括所有制造和组装各种部件的设备。有多少种不同的部件？和它自身所有的一样多。要造一个能生产和组装这么多部件的机器又需要多少部件和原材料呢？这很难估计，但是基于今日技术的系统将使用电子芯片，而制造这些玩艺儿可不是一个小复制机器可以办到的。

　　野兔可以自复制，但是它们需要预制的部件诸如维生素分子，可以从食物中得到这些使得它们只需较少的分子机器，而不必制造所有的东西。同样的，机械复制机也可以使用预制的芯片而不用去制造它们。它独特的“饮食”需求将使它融入一个机器的“生态环境”中，并加以限制。在一个NASA赞助的研究项目中，工程师们提议把这样的半复制机用在太空领域，使得太空工业可以仅接受一小部分从地球上带来的复杂部件就可以运作。

　　由于基于体积技术的复制机必须制造和组装它们的部件，所以它们必须包括所有的制造部件和组装部件的机器。这就凸显了分子复制机的优势：它们的部件是原子，而原子是早就预备好了的。

　　分子复制机

　　细胞可以复制，它们的机器复制它们的DNA，指导它们的核糖体机器去用简单分子建造其它的机器。这些机器和分子都活动于一个液体袋子里。袋子的膜可以让燃料分子，以及建造纳米机器，DNA，和膜本身的部件进来；把废料和坏的元件排出去。细胞通过复制膜内部的分子部件，把它们分成两块，然后收缩成两个包来复制自己。人造复制机可以用相似的方法来制造，但是使用组装机来代替核糖体。通过这种途径，我们就可以建造类细胞复制机，而不用受限于由柔软的，潮湿的蛋白质分子制造的分子机器了。

　　但是工程师们似乎更希望发展另外的复制途径。进化不能轻易地改变细胞的基本结构，但是这种结构是有缺陷的。例如神经突触，大脑中的信号细胞，通过释放化学分子来通知相邻细胞，这些化学分子聚集在一起直到被相邻细胞的感觉分子捕获，通常会产生一个神经脉冲。这种化学连接开关缓慢，神经脉冲的传导也慢于声速。如果用组装机，分子工程师们就可以建造比神经突触还小的计算机并且运算速度要快数百万倍。

　　突变和选择不能使神经突触便成机械纳米计算机，就好比农场主不能把马培养成小汽车。但是，工程师们已经造出了汽车，也将可以制造比大脑更快的计算机，和比细胞更能干的复制机。

　　某些这种复制机可能会一点也不象细胞，而是代之以把组装工厂缩小成细胞大小。它们内部的分子框架上布满纳米机器，通过传送带在机器之间运送部件，在外部有一套组装机械手臂来建造自身的复制品，一次一个原子或一个部件。

　　这些复制机可以复制得多快取决于它们的组装速度和它们的尺寸。想象一个先进的有一百万个原子构成的组装机：可能有亿万个移动部件，每个平均含有一百个原子——足够用来制造一个相当复杂的机器。事实上，组装机本身的形状象一个盒子，上面有一个约一百个原子长的短粗的机械臂。盒子上的装置可以把机械臂从一个位置移动到另一个位置，并且可以更换机械手上拿的分子工具。

　　在盒子后面有一个可以读磁带的装置，它可以触发移动机械手和更换工具的机械信号。在机械手面前的是未完成的结构，传送带把分子带给组装机系统，一些分子提供给马达能量，以带动磁带读取机，其它的作为组装原料。机械手们把原子挨个地送到由磁带指定的位置，化学键将使它们结合成牢固的结构。

　　这些组装机会工作得很快。一个快速的酶，如消化酶，可以每秒处理几乎100万个分子，不用机械传送和能量驱动装置就可以处理。看起来，组装机不可能在百万分之一秒之内完成抓住一个分子，把它移到指定地方的动作。但是小的附肢可以很快地移动，人的胳膊在一秒内可以上下挥动几次，手指可以更快速地拍打，苍蝇翅膀可以比人的胳膊的拍打频率快一千倍，因为它比人的短一千倍。

　　一个组装机的手臂大约只有人的手臂的五千万分之一那么小，所以它移动的速度会比人快五千万倍。所以对一台组装机来说每秒移动机械臂几百万次就相当于人每分钟举一次手：很慢的。所以这是一个合理的目标。

　　复制的速度同样也与它复制的整个系统的尺寸有关，组装机将不会自己复制自己，它们需要原料和能量，以及指令。普通化学品可以提供原料和能量，但是纳米机器必须能处理它们。聚合高分子可以象穿孔纸带那样提供编码信息，但是阅读机必须能把分子编码翻译成机械臂的运动指令。这部分就是复制机的本质：磁带提供指令指导组装机，阅读机，其它纳米机器和它本身的复制动作。

　　一个针对这种复制机的合理设计将会包含几个组装机械手和几个抓住和移动工件的机械手。每个这样的机械手都含有一百万个原子。其它的部件——磁带阅读机，化学处理器等等——将和组装机一样复杂。最后，一个灵活的复制机系统将可能包括一台简单的计算机，是我在第一章中提到的那种机械式的，这将增加约一亿个原子。总的来说，这部分将少于1.5亿个原子。假设总共有10亿个原子，包括冗余部分，每秒组装100万个原子，系统复制自身要用约1000秒，或15分钟多一点——大约和细菌在良好条件下的复制速率差不多。

　　想象这样的一台复制机漂浮在装满化学物质的瓶子中，复制着自己。在1000秒内复制出一个，10个小时后可以复制36个。一星期后复制品就能填满人的细胞了，一个世纪后，就是可见的一大块了，如果这就是复制机能做的全部，那我们最好还是忘掉它们吧。

　　然而，每个复制品都会造出更多的复制品，所以第一个复制机在1000秒内造出一个复制品，在另一个1000秒内这两个又复制出另外两个，然后这四个又造出另外四个，然后这八个又造出另外八个，在10个小时后，就不是36个而是680亿个了。一天之内，它们将重达一吨。两天之内，它们的重量会超过地球，再加四个小时，它们将超过整个太阳系——如果瓶子中的化学物质用不完的话。

　　连续加倍意味着指数式的增长，复制机会按指数翻倍，除非空间和资源受到限制。细菌就是按上面说的速率繁殖的。人类的复制要慢得多，但是如果给定足够的时间，他们也会耗尽有限的资源。对人口增长的关注永远是重要的。对快速工作的新的复制机的控制也将变得重要起来。 　　

　　分子与摩天楼

　　能抓住和定位单个原子的机器将能制造任何东西，通过把正确的原子放到正确的位置然后使它们键合的方法，象我在第一章结尾提到的。当然，一次一个原子地造太慢了。一只苍蝇中包含的原子，如果每秒能数100万个原子的话，要从恐龙出现的年代数到今天才能数完。分子机器可以制造实在的物质——不管怎样，它们造出了鲸鱼。

　　为了快速地制造物体，巨大数量的组装机必须协同工作，而复制机可以成吨地生产组装机。事实上，通过正确的设计，组装机系统和复制机的差别将完全在于组装机如何设计上。

　　如果一台可复制组装机可以在1000秒内复制自己，它也就可以在同样时间内建造其它的尺寸相当的东西。类似的，一吨复制机可以快速地制造一吨其它的东西——生成的产品中的无数原子都正确地排列，仅仅只有很少的错排。

　　为了能看到一种组装巨大物体的方法的能力和限制，想象一个圆盘上布满了小的组装机械手——象一支按级别整齐排列的程控复制机大军。在它们后面是传送机构和连接通道，提供反应分子，能量，和组装指令。如果每个机械手占据100个原子宽度，那么后面的供应体系大约占据10000个原子的体积。

　　看起来空间是足够的，一个有10或20个原子宽度的空间可以容纳一台输送机（或许基于分子链条和滑轮结构）。一条几个原子宽度的通道可以容纳一个分子棒，象在第一章提到的机械计算机那样，通过推或者拉分子棒来传递信号。所有的机械臂都在一起共同工作，一层一层地建造一个宽的，结实的结构。每个机械臂都在自己的位置上，负责每层中的10000个原子。一群每个可以每秒操纵1,000,000个原子的机械臂每秒将能建造100层原子。这听起来很快，但是按这种速度堆起一张纸那么厚的高度的原子需要大约一个小时，要堆成一米厚的板则需要超过一年的时间。

　　更快的手臂速度可以把组装速度提高到每天一米的厚度，但是它们将产生很多浪费的热量。按照每天一米厚板的速度，一平方米面积产生的热量可以烤熟几百份牛排，也可以烤熟整个机器。对于尺寸和速度来说，冷却问题会成为一个限制因素，但是还有其他的方法来快速制造而不产生过度的热量。

　　我们可以想象用粘结砂子的办法来盖一所房子。粘结每一层都会花去粘结机很多之间，建一堵墙可能要花10年的时间。现在想象先用机器制造出砂砖来，一座这样的制砖厂可以立刻造出很多砖来，然后用足够的垒砖机就可以很快用预制砖垒出一堵墙来。同样的，分子组装机通过与更大的组装机合作就可以很快地建造——这些机器的尺寸可以从分子大小一直到巨人般大小。通过这种方法，在制造部件的过程中产生的热量将很快消散。

　　摩天楼的建造和生命的建造也暗示了建造大物体的方法。巨大的植物和动物有循环系统，它们错综复杂的网络把原料带给分布在各处组织里的分子机器。摩天楼也一样，在造好了框架后，大楼的“循环系统”——它的电梯和走廊，在起重机的帮助下——把建筑材料带给建筑工人。组装机系统也可以使用这种策略，首先搭好脚手架，然后在各处同时工作，原料通过各种通道进入内部各处。

　　现在可以设想用这种方法来“生长”一台巨大的火箭发动机，全部工作都在车间里的一个大桶中完成。这个大桶——由闪闪发亮的钢制成，开有一个玻璃窗以便观察内部——高高地立在地面上，因为它要容纳整台发动机。很多管道和泵连到周围的仪器和冷却水交换器上，这种布置使得操作员可以控制各种液体进出大桶。

　　处理开始时，操作者把顶盖打开，放入一个建造发动机的基准平台，然后盖上盖子，按动一个按钮，一个泵开动向工作室充进一种粘稠的，乳白色的液体，先是淹没了平台，然后没过了窗口。这种液体来自于另一个桶，在那里自复制组装机被复制生产并且由新的指令磁带重新编程（有点象病毒感染细菌）。这个新的组装机系统，比细菌要小，可以散射光线所以使得液体呈乳白色，它们数量很多所以显得粘稠。

　　在基准平台中央，组装机液体漩涡的底部，有一个“种子”。它包含一个存储着发动机制造程序的纳米计算机，表面有可以附着组装机的突出部。当一个组装机粘上以后，它们就会插在一起，种子计算机把指令输入到组装机的计算机内。这个新程序告诉了组装机与种子的相对位置，指导它伸出它的机械臂勾住更多的组装机，一旦插接上后就进行同样的再编程过程。按照从种子来的指令（通过不断扩展的组装机网络传播），一种组装机晶体就从混沌的液体中生成了。由于每个组装机都知道自己的位置，它们将只会连接相关的组装机。这种网格比自然的晶体更复杂更不规则。在几个小时后，组装机脚手架就接近于火箭发动机的形状了。

　　然后桶外的泵再一次启动，把剩下的未连接的组装机液体抽走，代之以某种清澈的带有溶解混合物的有机溶剂和——里面含有铝化合物，富氧混合物，以及作为组装机燃料的混合物。当透明的溶液充满后，正在生长的火箭发动机的轮廓就可以从窗口中看见了，它看起来像一个用半透明塑料雕刻成的全尺寸模型。然后种子发出一个指令让指定的组装机释放它们的邻居并收回手臂。它们产生一股白色的束流冲刷整个结构，剩下的保持连接的组装机就形成海绵状的格子，现在有足够的空间工作了，桶内的发动机逐渐成形，几乎是透明的，带有一点彩虹的颜色。

　　每个保持连接的组装机，现在被微小的充满液体的管道所包围。组装机上的特殊手臂工作起来象鞭毛，驱动液体在管道中循环。这些动作，和所有其它被组装机操作的东西，都由以能量分子为燃料的分子马达驱动。象溶解的蔗糖可以为发酵提供能量一样，这些溶解的化学分子为组装机提供能量。流动的液体带来新鲜的燃料和原料，带走多余的热量，通讯网络把指令带给每个组装机。

　　组装机们现在准备好可以工作了，它们将要建造一台火箭发动机，主要由管道和泵组成。这意味着要建造具有复杂形状的强度高而重量轻的结构，一些结构要能承受高温，一些结构则充满了管子承载冷却液。在需要高强度的地方，组装机就会按照钻石的晶体结构用碳原子构造具有互锁纤维结构的杆棒，用这种材料，它们就可以建造能承受预期压力的晶格结构；在需要承受高温和耐腐蚀的地方（比如大部分表面），它们会按照蓝宝石的晶体形式用氧化铝建造类似的结构。在压力较小的地方，组装机就通过增大晶格间距离来节省材料；在压力较大的地方，组装机就加强结构直到保留的通道几乎不能让它移动为止；在另外一些地方，组装机们从传送带上卸下各种原料来制作传感器，计算机，马达，线圈以及任何需要的东西。

　　为了结束工作，它们建造围墙围住剩下的通道空间类似于封闭的细胞，撤退到外面然后抽空里面的液体，之后它们完全撤出进入循环液体之中。最后桶中的工作液体被抽干，一道射流喷射出来冲洗发动机，随着盖子的打开，完成了的发动机慢慢升起风干。它的制造只要不到一天时间并且几乎无需人工干预。

　　这台发动机的外观是怎样的呢？不象任何由金属焊接和铆接而成的东西，它是无缝的，象宝石一样的。它内部的空的单元阵列间距和光的波长相近，产生了额外的效果：象激光光盘那样产生衍射，形成变换的彩虹如同钻石。这些空的单元空间使得这种结构比我们所能造出的最轻最结实的材料还要好。与现代的金属引擎相比，这种先进引擎质量要轻90%。

　　轻轻敲击，会听见象一口音调很高的钟的回响。把它装在一个有同样结构的航天飞机上，将会很轻松地从跑道升空，进入太空并返回。它能经受长时间的恶劣环境的考验，因为它的结实的材料使设计者可以使用较高的安全系数。而且组装机使得设计者可以设计出在断裂之前就屈服的结构（延缓裂缝并阻止它们扩展），所以这台发动机既坚硬又结实。

　　尽管有所有这些优点，这台发动机基本上还是很传统的，它只是用精心设计的，轻的，结合紧密的原子结构代替了密集的金属结构。最后的产品中没有任何纳米机器。

　　更先进的设计将更深入地使用纳米技术。例如可以为它设计一套血液循环系统来适当地供应组装机和分解机，可以编程来修补坏的部件，只要使用者不断地供应这台发动机能量和原料，它就可以更新自己的结构。更先进的发动机也意味着更灵活。如果火箭发动机能根据不同的工作条件改变自己的形状的话，它们可以工作的更好，但是工程师们不能使大块的金属变的更强，更轻和更可塑。而使用纳米技术，可以制造比钢强度高，比木头还轻并且能像肌肉那样变形（纤维原理）的结构，因此发动机可以在基座上伸长，收缩，弯曲以提供向任意方向的冲力，并工作于各种条件下。通过适当编程的组装机和分解机，它甚至能在离开生长桶之后很久还能改变自己的基本结构。

　　简而言之，自复制组装机将成吨地复制自身，然后制造其它产品诸如计算机，火箭发动机，桌子椅子等等。它们也能制造分解机，通过分解石头来提供原料。它们可以制造太阳能收集器来提供能量。虽然很小，却可以造大的物体。大自然中的纳米机器集团建造了鲸鱼，种子复制机，把原子组织成巨大的纤维素，建造了红杉树，那么从一个大桶中生长一台火箭发动机也没什么奇怪的。基本上，如果给种植者合适的种子，他们就可以从土壤，空气和阳光中种出太空船来。

　　组装机实际上可以不费力地用普通材料制造出任何东西，替代冒烟的工厂的将是绿色的与自然和谐的系统，它们将从根本上改变技术和经济，为我们开放一个新的充满可能性的世界。它们将成为富足的发动机。　

第五章 思维机器

　　现在已经到了第二个计算机时代。新的技术开始走出实验室把计算机从快速的计算机器变成可以模仿人类思维的装置——赋予机器以推理，做出判断，甚至是学习的能力，这种“人工智能”已经开始做一些曾经认为需要人类智能来完成的工作。 　　——《商业周刊》

　　计算机已经从机房和实验室走出来帮助我们在家里或办公室写作，计算，和娱乐。这些机器做着简单，重复性的工作，而现在仍在实验室的能做更多的事。人工智能研究者们说计算机可以变得聪明，并且越来越少的人反对这种说法。为了了解未来，我们必须看到人工智能是否象飞向月球那么不可能。

　　思维机器用不着在外形，目的或精神上与人相似。事实上，一些人工智能系统显示出没有受过良好的文学艺术教育，但是可以作为设计的有力引擎。虽然如此，了解人类思维是如何从无思想的物质中进化出来的，还是可以为我们理解机器怎样才能会思考提供光明的前景的。大脑，象其它形式的有序一样，通过变化与选择来进化。

　　大脑在运作。你不需要了解斯金纳的行为主义学说就明白行为的重要性，包括被称为思考的内部行为。在试管中复制的RNA显示了目的思想是如何（作为某种概念）适用于完全无思想的分子的。它们没有神经和肌肉，但是它们进化出了促进它们的复制的“行为”。变化和选择形成了每个分子的简单行为，并贯穿它的整个“一生”。

　　单个的RNA分子并不改变，但是细菌却可以。竞争使细菌从适应性改变中获益，例如通过调整它们的消化酶比例来适应食物供应。这些适应机制对它们本身来说是固定的：食物分子引发基因开关就象冷空气触发空调器一样。

　　一些细菌也使用一种反复试验策略的基本形式。这种细菌趋向于游直线，仅仅有足够的“内存”去知道前进道路上的条件是在变好还是变坏。如果它们感觉到条件在变好，就保持方向前进；如果它们觉得条件在变坏，就会停下来，打转，然后头朝向一个随机方向，通常是与原来不同的方向游动。它们测试各种方向，朝向好的方向并避开不好的。由于这使得它们能游到食物分子集中的地方，它们就能成功地繁衍了。

　　变形虫没有大脑，也显示了学习的事实。它们可以学会在简单的T-迷宫中选择正确的路径。它们试着左转和右转，逐渐地选择行为——或形成习惯——达到最佳路径。这种选择性行为基于一种推理，心理学家称为“效果法则”。蠕虫的基因进化使得蠕虫个体有了进化的行为。

　　虽然这样，会走迷宫的蠕虫（甚至斯金纳的鸽子，被训练成绿灯亮时才啄食）还是没有一点思考的迹象。大部分生物仅仅通过反复试验中学会的简单效果法则来适应，通过变化和选择实际行为——它们不会思考和做判断。而自然选择常常使能思考的生物获益，思考也不是不可思议的。正如Tufts大学的Daniel Dennett指出的，进化的基因可以用关于世界运动的内部模型来武装动物的大脑（有点象计算机辅助设计系统）。动物们可以由此“想象”不同的行动和结果，避免那些“看起来”危险的而采取“看起来”安全的和有利可图的行动。通过靠着这种内部模型来测试想法，它们可以节省在外部世界试验行动所花的力气和减少所冒的风险。

　　Dennett更指出效果法则可以改造模型自身。基因可以提供进化的行为，它们也能提供进化的思想模型。聪明的动物可以改变它们的模型并关注那些能提供更好的行动指导的版本。我们都知道尝试并学习有用的东西。模型不必是与生俱来的，它们在单个生命中也可以进化。

　　不会说话的动物，很少能传授它们的新的洞察力，这些洞察力会和产生它们的大脑一同消亡，因为有用的思维模型并不印在基因中。但是即使不会说话的动物也可以彼此模仿，积累拟子和文化。日本的一只母猴子发明了一种用水分离谷粒和砂子的方法，其它的猴子很快就学会了。在人类文化中，通过语言和绘画模型，有价值的世界运作模型会比它们的创造者长命并且广泛传播。

　　在一个更高的水平上，头脑（"mind"在这里是个合适的词）可以把握判断的标准，决定关于模型的组成部分——对于世界的想法——是否是足够可靠的。头脑由此选择了它自己的内容，包括选择规则。判断的规则也通过这种方式过滤了科学的内容。

　　象关于知识的行为，模型和标准进化一样，目的也可以。那些通过某些更基本的标准来判断能带来好处的，通常会成为目的。诚实会有回报，所以它成为了一条有价值的行动标准。由于思考和精神模型指导行动和下一步的思考，我们把清晰的思路和精确的模型作为目的。好奇心增长，随之产生了对知识的热爱。目的的进化使得科学和道德一起发展。达尔文写道，“德育教育可能的最高水平是我们承认我们应该控制我们的思考。”我们可以通过变化和选择来实现，通过集中注意于思考有价值的东西而忽略其它的。

　　MIT人工智能实验室的Marvin Minsky把头脑看作某种社会，一个进化的系统，由互相联系的，合作的，竞争的代理点组成，而它们又是由更简单的代理点组成的。他用这些代理点的活动性来描述思考和行动。一些代理点只能指导手抓住杯子，另外一些（更精致的）可以指导演讲系统选择词汇。我们无意识地让手指包住杯子，我们把这样的任务交给胜任的代理点并很少去注意它们除非它们出了问题。我们都会被冲突刺激并说出无意义的词汇，这些都是大脑中的代理点不和谐的征兆。我们意识到这些是大脑自调节机制的一部分，通过它我们的大量代理点管理着其它的事情。

　　拟子可以被看作大脑中的代理点，由教育和模仿形成。为了感知两种观念冲突，你必须把它们在脑中具体化成代理点——可能一个是老的，强的，并有支持者，另一个是新的，可能不能通过第一场战斗。因为我们对自身认识是肤浅的，我们常常想知道我们头脑中的想法来自何处。一些人想象这些想法和感觉直接来自于大脑外，他们倾向于信仰有鬼魂出没于大脑。

　　在古罗马，人们相信有“鬼魂”，它们有美好的或邪恶的灵魂陪伴一个人从生到死，带来好运和坏运。杰出的品质成就“天才”。即使在现代，不知道自然如何创造新奇事物的人们还是把“天赋”看作某种“魔法”。而事实上，进化的基因造成了可以扩展知识的大脑，通过改变想法和选择它们。通过快速变化和有效的选择，和从他人那里获得的知识的帮助，为什么这种头脑不能显示出我们称为“天赋”的东西呢？把智能看作自然过程使得智能机器的想法变的普通，也暗示了它们会怎样工作。

　　机器智能

　　在一本字典里是这样定义“机器”的：“能完成或帮助完成人类工作的任何系统或装置，例如电子计算机。”但是有多少人类工作能由机器来完成呢？计算曾经是一种人脑超过机器的技能，也是聪明和有教养的标志。而今天，没人会把便携式计算器称为人工智能，计算现在只不过是个机械过程。

　　但是，建造现在看起来平常的计算机的想法曾经是令人吃惊的，虽然在十九世纪中叶，Charles Babbage（查尔斯·巴贝奇）就已经造出了机械式计算器和可编程机械计算机的一部分，但是他陷入了财务和建造上的麻烦中。杨博士一点忙也不帮，他认为培养人的计算能力比这要廉价，英国皇家天文台台长George Airy爵士也持不同看法——他日记上的某页写道：“12月15日，Goulburn先生……问我对Babbage的计算机器用途的看法，我回答说，问题很多，要我看它是无用的。”

　　Babbage的机器超前于他的时代——意味着为了建造它，机械师们必须改进技艺以造出更精确的零件。实际上它也不比一个人的计算速度快多少——但是它更可靠和更容易改进。

　　计算机和人工智能（AI）的故事与在空气和太空中飞行类似。直到最近人们才相信它们是可能的——他们不知道如何去实现，并且认为一旦实现会带来很大的困扰。而且至今为止，AI还没有一个简单的确实的示范，这和飞机还有登月是不同的。它还有很长的路要走，并且人们也不断地改变着智能的定义。

　　把关于“巨型电脑”的报告放在一边，很少有人称第一台计算机是智能的。确实，“计算机”的名称暗示了仅仅是一台算术机器。在1956年，在达特毛斯，第一次世界人工智能会议上，研究员Alan Newell和Herbert Simon展示了逻辑理论家，一个能用符号逻辑证明定理的程序。在这以后，计算机程序可以下象棋以及帮助化学家搞定分子结构。两种医学程序，CASNET和MYCIN（第一个处理内科药物，第二个可以诊断和处理传染病），可以令人难忘地完成任务。按照人工智能手册上说的，它们被“量化了，进行经验性的评估，在各自的范围内具有专家级的水平。”一种叫“勘探者”的程序在华盛顿州发现了一个钼矿，价值数百万美元。

　　这些所谓的“专家系统”只在很有限的范围起作用，但是它们已经能使1950年代早期的计算机程序员吃惊了。而今天，很少有人认为它们是真正的人工智能：AI是个移动的目标。本章开头引用的商业周刊的段落仅仅显示了计算机可以用足够的知识编程，以及搞些富有想象力的花样，使得人们可以不勉强地称它们人工智能。成年累月地在电视里出现的科幻机器人和谈话电脑至少让AI的概念深入人心了。

　　认为AI不可能实现的首要原因常常是由于认为“机器”是笨拙的，一个现在已经开始淡出的看法。过去的机器确实是笨重的并且只能干简单的卖力气的工作。而计算机处理信息，伴随着复杂的指令，并且能根据指令来改变自己的指令。它们可以试验与学习。它们内部没有齿轮和脂肪而只有线路和流动的电能。 象Douglas Hofstadter说的（通过一个角色之口）：“为什么你们不让‘机器’这个词和跳动的光线图案联系起来，而非要让人想起巨大的蒸汽铁铲？”

　　鸡尾酒会批评家们常常指出现在计算机的笨拙来反对人工智能，好像这能证明未来一样。（未来的机器可能想知道这是否是批评家们的真实想法）他们的异议是不切题的——蒸汽机车不会飞，虽然它们证明了后来用在飞机引擎上的同样的原理。同样的，爬虫类并没有表现出任何智能，虽然我们大脑中的神经元与它们的很相像。

　　非正式的批评家也回避对AI的认真思考，认为我们不能制造比我们更聪明的机器。他们忘记了历史上的例子，我们远古的不会说话的祖先通过基因进化展示了高度的智能甚至不通过思考。而我们现在在思考，并且技术拟子的进化也比生物基因快得多。我们当然可以制造具有和人类学习和组织知识的能力类似能力的机器。

　　似乎只有一个观点可以支持反对思想的火花可以在新的物质形式中跳舞的看法。这就是精神唯物论——认为大脑是一种特殊的物质，某种神奇的思想材料，超越了模仿，复制和技术的使用。

　　心理生物学家没有发现任何这种物质存在的证据，却发现解释思想不需要精神唯物论。因为大脑的复杂性超过了人的理解能力，它看起来复杂得足够产生思想。确实，如果一个人能完全地了解他的大脑，这就说明大脑比他的思想要简单。如果地球上所有的50亿人可以合作观察一个人的大脑的工作的话，每个人都需要同时观察数万个神经突触——显然是个不可能完成的任务。所以一个人如果试图从整体上了解大脑的话将会是50亿倍的可笑。由于我们大脑的机制如此复杂，以至我们的思维无法把握它，所以可以说它复杂得足以产生思想。

　　图灵的目标

　　在一份1950年的关于人工智能的报告中，英国数学家阿兰·图灵写道：“我相信到本世纪末词汇和教育理念会有很大变化，你可以谈论机器思想而不会被反对。”但这要看思想是如何定义的。有些人说只有人能思考，而计算机不是人，所以他们停滞不前并自鸣得意。

　　在报告中，图灵问到我们是怎么判断人类智能的，并暗示我们通常是通过谈话来判断人的。然后他提出了一个他称为模仿游戏——而现在每个人都称为图灵测试的办法。想象你在一个房间中，可以通过一台终端和另外两个房间中的一个人和一台计算机对话。你可以发送消息，另外那个人和那台计算机可以回答，他们都表现出自己具有人类智能。通过一段长时间的键盘“交谈”——可能涉及到文学，艺术，天气和早上嘴里的味道——你可能会分不清哪个是机器，哪个是人了。图灵认为如果一台机器可以在一定的基本规则下进行这样的谈话，我们就可以认为它具有真正的智能。更进一步，我们得承认它对人类很了解。

　　在大部分实际应用中，我们都不必问“一台机器能有自我认识——就是说自知吗？”的确，那些说机器不可能有自我意识的批评家们可能永远也无法说清为什么。自我认识进化用来指导我们的思考和行动，而不仅仅是我们人性的装饰品。我们需要了解其他人，他们的能力和爱好，并和他们共同制订计划。同样的我们也必须了解我们自己，我们自己的能力和爱好，为自己制订计划。自我意识没什么特殊的。自我印象来自于大脑中的记忆，和思考的作用模式类似。认为自我是一种特殊的意识物质（与大脑的思想物质相区别）的看法对解释意识是毫无作用的。

　　想要通过图灵测试的机器，当然，都会声称自己有自我意识。生物中心论者当然可以简单地说这是撒谎。只要他们拒绝说明他们的意思，他们就永远不能被证明是错误的。虽然如此，不管是否被称为有意识的，智能机器都会表现出智能，并且它们的智能也将影响我们。也许有一天它们会通过热情洋溢的演讲驳斥生物中心论者，发起一场精彩的公共关系运动。

　　现在还没有一台机器能通过图灵测试，很可能在短期内也不会有。看起来明智的做法是应该问是否有个好的尝试的理由：基于其它目的的AI研究可能带给我们更多的利益。

　　让我们来区别两种智能，通过一个能同时显示两者的系统。第一个是技术AI，用来处理物理世界，在这一领域内的努力导致了自动化工程和和科学调查；第二个是社会AI，用来处理人类意识，在这一领域内的努力将导致可以通过图灵测试的机器。

　　在社会AI领域工作的研究者们在研究过程中可以学到很多关于人类意识的知识，他们的系统也无疑具有很高的实用价值，因为我们大家都可以从人工智能的帮助中获益。而基于技术AI的自动化工程将给技术竞赛带来更大的冲击，包括朝向分子技术的竞赛。一个先进的自动化工程系统将比较容易开发，相较于图灵测试机来说，因为后者不仅要有知识和智能，还要能模仿人类的知识和智能——是一个特殊的，更难的挑战。

　　正如图灵所问：“可能机器不能承担某些被称为思考的工作，但什么是和人最大的区别呢？”一些作家和政治家可能拒绝承认机器智能直到有一天他们不得不面对一台能通过图灵测试的机器，但是工程师们将通过其它形式承认AI。 　　

　　设计的发动机

　　我们已经踏上了自动工程之路。知识工程师们已经开始销售可以帮助人们处理实际问题的专家系统了。程序员们也开发了计算机辅助设计系统，可以使关于形状和运动，压应力和拉应力，电路，热流以及机床加工金属的知识具像化。设计者使用这些系统来扩展他们的思维模型，加速未来设计的进化。

　　工程师们可以使用一个很宽范围内的很多种计算机系统来辅助他们的工作。在此范围的一端，他们简单地把计算机屏幕当作画板。更进一步，他们使用的系统可以描述三维的零件并计算它们的对热，对压力的反应，电流等等。一些系统了解计算机控制制造设备，可以帮助工程师测试他们编写的数控代码，然后再用于制造；在此范围的另一端，使用计算机不仅能记录和测试设计，还能产生设计。

　　程序员们已经为计算机工业开发了令人印象深刻的工具。例如设计芯片的软件。现代集成电路芯片包含有数千个晶体管线路。设计者们以前要花费数月的时间来设计电路并在芯片表面布线，现在他们可以把这些任务交给所谓的“硅编译器”软件，给定一个芯片功能，它就可以生成详细的设计——可以生产的——而几乎不需要人类帮忙。

　　所有这些系统都完全依赖人类知识，艰苦地收集并编码。今日最灵活的自动设计系统可以按照一种设计寻求改进方案，但不能应用到下一个设计当中。只有EURISKO是个例外，它是由斯坦福大学的Douglas Lenat教授和他的同事开发的，EURISKO是被设计来探索新的知识领域的。它由启发式方式指导——一种知识提示可能的行动或避免错误。有效的，各种各样的经验方法。它使用试探的方式提出工作目标，然后试探式地提出解决方法并尝试，最后提出如何判断结果。另外还能探索各种可能的结果，提出新的探索方向，并评估新的和旧的试探方法的价值。通过这种方法EURISKO进化出了更好的行为，更好的内部模型，试探的选择，可以被称为“突变”和“选择”，暗示了它们的社会，文化意义。

　　在EURISKO中由于启发方式进化和竞争，所以可以推想会有寄生虫出现——象事实上那样。一个机器产生的启发，例如，声称是一种很有价值的新猜想的共同发现者，可以被评估为最高可能的值。Lenat教授和EURISKO一起工作，改进它的精神免疫系统，通过启发来去掉寄生虫和避免愚蠢的推理方法。

　　EURISKO被用来探索初等数学，编程，生物进化，游戏，三维集成电路设计，油料泄漏清除，铅工业，和（当然）启发式教育。在某些领域它用新奇的主意启发了设计者，包括可以引发三维集成电路技术的新的电子装置。

　　一个锦标赛的结果显示了人/AI系统的威力，Traveller TCS是一个新的未来海战的游戏，游戏规则有200页，规定了舰队的设计，花费，和性能限制（“TCS”代表“Trillion Credit Squadron”价值万亿的编队）。Lenat教授把这些规则输入了EURISKO，一套开始的启发方法，以及一个模拟两个舰队之间战斗的程序。他后来报告说：“它一支又一支地设计舰队，把模拟程序当作‘自然选择’的机制来‘进化出’越来越好的舰队设计。”程序可以整夜地运行，设计，测试，从结果中获得教训。在早上Lenat可以精选出好的设计并帮助它发展，他确信结果的60%归于他自己的工作，而40%属于EURISKO。

　　Lenat和EURISKO参加了1981年的全国Traveller TCS竞赛，带来了一支看起来奇异的舰队。其他的参赛者都嘲笑它，但是他们后来都输给了它。Lenat/EURISKO联合舰队赢了每个回合，成为了全国冠军。就像Lenat所说，“这一胜利是有重大意义的，因为每个参与程序设计的人都没玩过，或者没见过这个游戏，并且在这之前也没参加过任何实战的回合。”

　　在1982年竞赛的组织者改变了竞赛规则。Lenat 和EURISKO带来了一支与上次完全不同的舰队，其他的参赛者又开始嘲笑它，然后又都输了。Lenat/EURISKO组合再一次取得了冠军。

　　在1983年竞赛的组织者告诉Lenat如果他这次参加并再次取胜，他们就会停办这个竞赛。因此Lenat便引退了。

　　EURISKO和其他的AI程序显示了计算机可以不仅局限于做枯燥的重复的工作如果它们被赋予恰当的程序的话。他们能探索可能性并产生可以使它们的创造者也吃惊的想法。EURISKO也有缺点，虽然它指明了一条AI系统和人类专家合作产生知识和设计中的创造性的道路。

　　在接下来的岁月里，类似的系统将改变工程学。工程师们将和机器建立创造性的伙伴关系，使用从当前的计算机辅助设计系统继承下来的软件来进行仿真，使用进化的类EURISKO系统来产生新的仿真设计。工程师可以坐在屏幕前，输入设计目标画出设计草图，系统就可以提炼设计，测试它们，然后显示可供选择的方案，附有说明，图像和表格，工程师再提出意见和修改，或者提出新的任务，直到这个硬件系统被设计和模拟出来。

　　随着这样的自动工程系统的改进，它们将越来越快地做越来越多的工作。越来越普遍地，工程师们将只要简单地输入目标人后从机器产生的好的方案中选择就行了，他们会越来越少地选择零件，材料和结构。逐渐地工程师们将能提出更概要的目标并认为理想结果的出现是理所应当的事。就象EURISKO通过一个Traveller TCS游戏模拟器进化舰队一样，自动工程系统将会稳定地进化喷气客机使之达到最高的安全性和最佳的经济性——或者进化军用飞机和导弹能最好地控制天空。

　　就像EURISKO发明了电子装置，未来的自动工程系统将可以发明分子机器和分子电子装置，在分子模拟软件的帮助下。这种

　　自动工程系统的优点将是我们前面讲过的设计-前导现象的扩展。因此自动工程系统将不仅加速组装机的突破，还将提高接下来的飞跃程度。

　　最后软件系统将能创造新的原始设计而不用人的帮助。人们会把这类系统称为智能系统吗？其实这已经不重要了。

　　 　　AI竞赛

　　全世界范围内的许多公司和政府都支持AI研究因为它能带来商业和军事的优势。美国有很多大学人工智能实验室和一大堆这类公司象机器智能公司，思维机器公司，Teknowledge，认知系统公司等等。在1981年10月日本工业和贸易部宣布了一个10年计划，耗资85亿美元的计划，发展先进的AI硬件和软件。由此，日本的研究者计划研发每秒能进行10亿次逻辑推理的系统。在1984年的秋天莫斯科科学院宣告了一个类似的，5年的，耗资10亿美元的计划。1983年10月美国国防部发布了一个5年的，耗资60亿美元的战略计算项目。他们寻求可以看，推理，理解命令，帮助处理战斗的机器。象Paul Wallich在IEEE报告中说的：“人工智能被看作是下一代计算机技术的基础，所有国家都把它放在突出的研究位置上。”

　　先进的AI将一步一步地发展，每一步都回报以知识和增长的能力。和分子技术（和很多其他技术）一样，尝试在某一市，一省，或一国限制其发展都只会让其他人领先。任何阻止AI研究的成功都至少会拖延它，而随着计算机越来越便宜，它也可以在秘密的情况下逐渐成熟。只有一个有无限权力的稳定的世界大国才能真正永久地停止AI研究——一种对付恐怖的危险的“解决方案”，按照以前对国家权力滥用的习惯。先进的AI系统是不可避免的，如果我们希望形成一个对未来的现实的看法，我们就不能忽略它。

　　在某种意义上，人工智能将成为最终的工具因为它将能帮助我们制造所有可能的工具。先进的AI系统能使人们进入虚拟世界，或者能帮助我们建立一个新的更好的世界。进攻者可以用它去征服它国，有远见的防御者可以用它来维持和平。它们甚至可以帮助我们控制AI自身。推动AI摇篮的手将能控制世界。

　　和组装机一样，我们将需要远见和仔细的规划来安全可靠地使用新技术。问题是复杂的和相互缠绕的，从分子技术的细节到失业率，从经济到人 权的哲学基础。最基本的问题，取决于AI能做什么。

　　 　　我们足够聪明了吗？ 　　

　　尽管有人类进化的例子，评论家们还是会争论说我们有限的智能将会阻碍我们生成真正智能的机器。这些争论看起来是微弱的，充其量可以看作是因为他们自己不知道如何去实现，因此也认为其他人不能做的更好。还有少部分人否认编制和人类智能相当的程序需要对人类心理有一个全新的视点。虽然通向AI的编程之路似乎已经打通，我们的知识并不支持这种自信，即工程师们应该在苏联人造卫星上天之前10年就能发射登月火箭了，或者通过蛋白质设计我们现在就可以造出组装机了。开发具有真正人工智能的软件，通过某种工程形式，将需要新的科技，这使得它超越了现实的计划。

　　我们需要精确的预见。人们固执地怀疑AI究竟能否在未来中生存，幸运地，自动工程逃脱了生物沙文主义者们的偏见的压力。大多数人对机器设计机器的想法比对未来的真正通用意义上的AI系统感到更舒服一点。另外，自动工程已经显示可以工作了，剩下来的工作就是去推动它了。如果更通用的AI系统一定会出现，我们就不能再忽视它们。我们不能绕开我们已经具备设计智能程序的能力这个问题。

　　在1950年代，很多AI研究者集中于通过模拟神经元来模拟大脑的功能，但是研究基于单词和符号系统的研究人员却走在了前头，从而改变了AI的研究方向。但是神经元模拟的基本思想仍然在继续，并且分子技术将使它更现实。这条路确实可行因为它不需要有对思维的新的原则性的观点。

　　最终，神经生物学家将使用病毒尺寸的分子机器来研究大脑的结构和功能，一个细胞一个细胞或一个分子一个分子地。虽然AI研究者可以从大脑科学中获得对思维结构的有用的知识，但是神经模拟不用这些知识也可以成功。编译器可以把计算机程序从一种语言翻译到另一种语言而不用理解它们是怎样工作的，复印机复印文字图案也不需要能读懂它们。同样的，研究者们将可以复制大脑的神经图案到另外一种媒体上而不需要理解它们高层次的意义。

　　在了解了神经元是怎样工作的以后，工程师就可以设计和建造基于纳米电子学和纳米机器的模拟装置了。这些装置将象神经元一样工作，但是会更快。神经元，虽然复杂，但是对于大脑的理解和工程模拟来说却是足够简单的。的确，神经生物学家已经对它们的结构和功能有了很多的了解，即使没有分子水平的机器来查明他们的工作。

　　通过这些知识，工程师将可以建造快的，能干的AI系统，甚至不用了解大脑和不用更聪明的编程。他们只需要理解大脑的神经结构然后把人造神经元也连接成同样的功能网络就行了。如果他们正确地完成了所有部分——包括形成整个网络的方法——那么整个的，也会是正确的。“神经的”活动将在此网络中流动，我们称之为思想，但是会更快，因为它所有的部件都工作的更快。 　　

　　加速技术竞赛

　　先进的AI系统似乎是可能的和不可避免的，但是它们将带来什么样的后果？没有人可以完全地回答这个问题，但是自动工程的一个结果是很清楚的：它将加快我们冲向可能的极限的步伐。

　　为了了解我们的前景，我们需要对先进AI系统将能思考的多快有个概念。现代计算机的复杂程度只相当于大脑的很微小的一点，但是它们可以运行模拟人类重要特征的程序。它们在基础形式上与大脑完全不同，所以直接的物理比较是没有意义的。大脑可以同时做巨大数量的事情，但是相当慢，大部分现代计算机一次只做一件事，但是速度很快。

　　你可以想象用来模拟大脑的AI硬件，不仅从功能上，而且从结构上。这将通过神经模拟的方法，或者通过基于类似大脑组织的硬件上的AI程序的进化来实现。此外，我们还可以通过人类大脑的类推来估计组装机建造的AI系统的最低速度。

　　神经突触对信号的反应时间为1/1000秒，实验室的电子开关比这快一亿倍（纳米电子开关将会更快）。神经信号每秒传送距离为100米，电信号比这快一百万倍。这些粗略的速度比较暗示了一台类大脑电子装置将比由神经元组成的大脑快一百万倍（受限于电信号的传递速度）。

　　上面的估计是粗略的，当然，一个神经突触比一个开关要复杂得多，它可以通过改变自己的结构来改变对信号的反应。随着时间的过去，神经连接可以形成或消亡。这将改变大脑的纤维和连接，形成长期性的智力改变，我们称之为学习。这使得达特茅斯的Robert Jastrow教授把大脑形容为一台有魔力的织布机，在一生中不停地编织和再编织神经图案。

　　想象一个具有同样适应性的类大脑装置，它的电路是由机械纳米计算机和组装机环绕着，每个都相当于一个突触“开关”。像神经突触能通过改变结构来对信号做出反应一样，纳米计算机将通过引导纳米机械去改变开关的结构来对行为类性做出反应。通过正确编程，以及通过纳米计算机之间的通信来模拟化学信号，这种装置就可以几乎是严格地模仿大脑。

　　不管如何复杂，这个装置都会是很小的。纳米计算机会比突触更小，组装机造出的“电线”也将比大脑中的轴突和树突细小。更小的线路和开关构成了更小的电路，而更小的电路由于缩短了电信号传播的距离而提高了电流的速度。似乎一个类似大脑的结构体积将小于一个立方厘米，更短的信号路径将会加快传输，使得最终的装置将比人脑快一千万倍。

　　只有冷却问题会限制这种机器的平均速度。想象一个比较保守的设计，它比大脑快一百万倍从而多产生一百万倍的热量，系统由一个咖啡杯大小的由组装机构造的蓝宝石块组成，其中的冷却回路通呈蜂窝状，一个同样直径的高压水管连在上端，强制冷却水通过冷却管道流向底部的水管。能量传输线和光纤数据线在旁边捆成整齐的几束。

　　能量传输线提供15MW的电力，排水管用流量为3吨/分的被加热后达到沸腾的水带走产生的热量。光纤束传送的数据量是电视信号通道的一百万倍，它们担负与其他AI系统的通信，以及与工程模拟器，和与生成最终测试程序的组装机系统的通讯。每隔十秒钟，系统吞食差不多48度电（大约现值一美元），每隔十秒钟，系统完成的设计量相当于一个工程师按八小时工作量工作一年的成果（现值几万美金）。在一小时内，它能完成几个世纪的工作。在做所有工作的同时，它还很安静，只有冷却水流动的声音。

　　这使得思维速度的问题形象化了，而复杂性又怎样呢？AI的发展似乎不会停留在单个人脑的复杂程度上。斯坦福AI实验室的

　　John McCarthy指出，如果我们能把一个人脑的等价物放在一个技术头颅内，我们就能把相当于一万个人脑的装置放在一栋楼内共同工作，（现代电厂可以提供的电力使得它们每个的工作速度相当于人脑的一万倍）在快速的工程化智能的基础上，可以发展快速的工程智能团队。

　　工程化AI系统在进行试验性工作时可能会慢下来，但是不会象想象的那么慢。工程师们现在必须做很多试验，因为体积技术是很难把握的。谁能预先精确地说出一种新合金在铸成并被弯曲一千万次后将会怎样呢？微小的裂缝使金属强度下降，而处理过程的细节决定了它们的自然属性和结果。

　　由于组装机将按精确规格建造物体，所以体积技术的不可预言性可以得到避免。设计者（无论人还是AI）将只在试验会比计算更快更便宜的情况下才去做试验，或者（更罕见地）在基本知识缺乏的情况下才进行试验。

　　AI系统通过纳米机械将迅速地完成很多试验。它们可以在几秒钟内设计出试验装置，然后可复制组装机将很快制造它们而不象现在的项目有很多麻烦事（不用订货，运输等等）。制造在组装机，纳米计算机，或活细胞规模上的实验仪器将只需要几分钟，而纳米制造机每秒可以动作一百万次，所以做一百万次试验将很容易。因此，尽管做试验会有延迟，但是自动工程系统仍将以令人吃惊的速度推动技术向前发展。

　　从过去到未来，类似的先进能力发展模式都与此类似。穿越漫长的世代，生命慢慢朝前发展，跟着基因进化的步伐。可被语言表达的思想加快了步伐，并通过拟子加速。科学发现和技术发明进一步加快了发展速度，增长的财富，教育和人口——以及更好的体力和脑力劳动工具——在我们这个世纪继续加速了这种趋势。

　　工程上的自动化将更加快这一步伐，计算机辅助设计将改善，帮助人类工程师更快地产生和测试想法。EURISKO的继任者将缩短设计时间，通过提出设计并利用人类的改进来完善它。从某些方面来说全自动工程系统将自己推动自己向前发展。

　　平行地，分子技术将发展并成熟，在自动工程的帮助下。组装机构建的AI系统将带来更快的自动工程系统，进化的技术观念将产生于比人脑快一百万倍的系统。技术进步的步伐将产生巨大的飞跃：在短时间内，很多技术领域将达到自然法则规定的极限。在这些领域里。进步将达到成就的顶峰。

　　这一变化显示了灿烂的前景，越过它，如果我们还存在，世界将充满可复制组装机，可以制造任何命令它们造的东西，不用人的参与。越过它，如果我们还存在，世界将充满自动工程系统，可以指导组装机制造接近可能的极限的装置，接近技术完美的最后限制。

　　最终，某些AI系统将既有很高的技术能力又有了解人类语言和愿望的社会能力。如果给足能量，原料，和组装机，这种系统可以被称为“神怪机”，无论你要求什么，它都能生产。阿 拉伯神话和普遍常识告诉我们要很认真地对待这种创造的发动机将带来的危险。

　　技术和社会AI领域中的决定性突破将很快到来，就像Marvin Minsky所说：“在不远的将来适当的智能机器将带给我们财富和不知疲倦的，顺从的，便宜的仆人。”现今的大部分“AI”系统都不能思考和学习，它们仅仅是专家技能的粗糙的提取物，包装起来供咨询用。

　　真正的AI将会到来，让它超出我们的意料之外将使我们生活在一个幻想的世界。期待AI既不是乐观的也不是悲观的：通常，研究者是乐观的，而技术恐惧论者是悲观的。如果我们为它们到来做准备，社会AI系统将带来严重的威胁：考虑一下人类的恐怖分子和政治煽动家带来的危险吧。同样的，技术AI系统将动摇世界军事平衡，使某一方突然，重大地领先。如果适当地准备，无论如何，人工智能将帮助我们建立一个很好工作的未来——为了地球，为了人类，为了宇宙中智能的发展。

　　第12章将提供一条途径，作为更普遍的话题的一部分，来管理组装机和AI将带来的改变。

　　为什么我们现在就要探讨将来的危险？因为它会来的太快以至开发机构不能处理这样的问题。技术AI已经开始浮现，它的巨大优势将加速技术竞赛。人工智能只是我们必须学会控制的许多强有力的技术之一，它们中的每一个都是威胁和机会的复杂混合体。

第六章 地球以外的世界

　　那个倒扣的碗我们称为天空；被扣在底下的我们生生死死。 　　——奥马开杨（波斯诗人和天文学家）

　　地球仅仅是世界的很小一部分，世界的其余部分对我们的未来来说是重要的。从能量，原料，和发展空间方面来说，太空几乎意味着全部。在过去，空间成就规律性地推动着工程项目；在将来，开放的太空前沿将扩展人类的世界。AI和纳米技术的进步将扮演至关重要的角色。

　　很长时期以来人们把空间看作边界。我们的祖先把夜空看作黑色的圆屋顶，上面有微弱的火花，显示着神灵的启示。他们不能想象空间旅行，因为它们甚至不知道外太空的存在。

　　我们现在知道太空是存在的，但是只有很少人知道它的价值。这没什么奇怪的。我们的思想和文化在这个星球上进化，我们才刚刚开始探索这个天空以外的边界。

　　仅仅在这个世纪一些梦想设计家如Hermann Oberth和Robert Goddard才展示了可以抵达太空的火箭。他们对此充满自信是因为他们了解关于燃料，发动机，燃料箱，和结构的足够的知识，可以设计多级火箭。但是，在1921年纽约时报的编辑还在驳斥Goddard关于可以在太空飞行的火箭的说法，认为没有空气的反作用力火箭是不可能飞的，直到1956年英国皇家天文学家还说“空间旅行完全是胡扯”。这些只能说明编辑们和天文学家们是关于太空硬件的错误的询问对象。在1957年，苏联人造卫星就开始环绕地球了，然后1961年尤里·加加林进入太空，1969年，全世界都看见月球上有了人类的脚印。

　　我们为无知付出了代价，因为太空技术的先锋们缺乏在公众中普及他们观点的手段，他们不得不一遍又一遍地解释基本概念（是的，火箭可以在真空里工作……是的，它们能到达轨道……），忙于为太空飞行的基本观点辩护，他们几乎没有时间探讨结果。因而，当苏联人造地球卫星震惊世界并羞辱美国后，人们还毫无准备：还没有进行充分广泛的讨论以形成太空战略。

　　一些先驱者们知道该做什么：建造一个空间站和可重复使用的太空船，然后飞到月球或其他小行星以获取资源。但是激动的政治家们发出的叫嚷很快淹没了这一提议，美国政治家们叫嚷着要一个大的，容易理解的目标。因此有了阿波罗计划，把一个美国公民送到最近的一个星球并插上一面旗子。阿波罗计划绕开了空间站和航天飞机，代之以用巨大的火箭一步就到达月球。计划是光荣的，它给了科学家们一些信息，也带来了先进技术的巨大回报——但是从本质上来说，它是个空洞的噱头。纳税人这么说，国会议员也这么说，并且空间项目也因此而萎缩了。

　　在阿波罗计划期间，古老的梦想在公众头脑中晃动，它们是简单的，浪漫的，在其他星球上定居的梦想。行星探测器打破了人们关于金星表面由森林覆盖的想象，实际上它是个充满高压有毒气体的大烤箱；它们也擦掉了地球上的天文学家画出的关于火星的景象，擦掉了运河和火星人，代之以陨石坑，峡谷和干燥的尘土；金星朝向太阳的一面布满含汞的被烘烤的岩石，火星朝星星的一面布满碎石和冰。行星世界充满了死亡和致命，追寻新地球的梦想被推到了遥远的星球。太空似乎是个死亡的尽头。 　　

　　新的空间项目

　　新的空间项目正从旧的废墟中升起。新一代的太空鼓吹者，工程师，和企业家现在把太空变成一个从开始就应该看到的前沿——一个可以开发和使用的地方，而不是空洞的政治姿态。他们自信能成功因为空间开发不需要任何科学和技术上的突破。事实上，我们征服太空用的是20年前的技术——通过避免哗众取宠的飞行，我们可以从中获益。空间活动不必是昂贵的。

　　考虑一下今天入轨的高昂代价——每千克要数千美元。这价钱是从哪里来的？从一个观看火箭发射的人来看，他会被被火箭的怒吼所震撼并敬畏于猛烈的火焰，答案似乎是明显的：火箭消耗的燃料可能会值一座造币厂。即使定期航班也几乎要花费一半的运营费用在燃料上。火箭与客机相似——由铝制造并充满了发动机，控制系统，线路——但燃料在发射（起飞）前几乎占满了所有的质量，因此，你可能会认为燃料花费也占据了火箭运行费用的一半，但是这种看法是错误的，在登月行动中，把火箭送到轨道的燃料总花费少于100万美元——入轨费用为几美元/千克，只占总花费的很小的百分比。甚至今天，燃料在宇宙飞行总花费中仍然是一个可以忽略的部分。

　　那么为什么太空飞行的花费比天空飞行多这么多呢？部分来说，是因为太空船不是靠数量堆起来的，这使得制造商只能售出很少量的部件来补足研发费用，并且只能手工制作，因此成本很高；另外，绝大部分太空船在用过一次后就被丢弃了，即使航天飞机一年也只能飞几次——成本不能被分摊在多次飞行中，像飞机那样；最后，发射场的费用也只能分摊在每月数次的发射中，而飞机场的费用可以分摊在数千次起降中。所有这些使得每次太空飞行都昂贵得可怕。

　　但波音公司——为世界上大多数人带来便宜的喷气旅行的人们——的研究表明，一队可重复使用的航天飞机，像喷气航班那样飞行和维护的话，将使太空飞行的费用降到1/50或更少。关键不在新技术上，而在于规模经济和管理方式的改变。

　　太空提供了巨大的工业机会，在太空轨道上的观测和通信卫星的好处人人都知道。将来的通讯卫星将有足够的功率和地面的手持站通讯，提供最终的移动电话服务。已经有公司开始利用零重力环境来进行精密分离处理，制造改进的药物，还有的公司尝试生长更好的电子晶体。在组装机接管材料生产之前，工程师将使用太空环境来扩展体积技术的能力。太空工业将为发射服务提供一个增长的市场，从而降低发射费用，而发射费用的降低，又刺激了太空工业的增长，最后火箭入轨运输将变得经济起来。

　　太空计划者和企业家已经把目光放到地球以外的整个太阳系的资源上去了。在深层空间，火箭运输的费用迅速增长——因为火箭必须带足推动自己所需的大量燃料。

　　烧燃料的火箭和中国烟花一样古老，比星条棋古老得多。它们的进化有其自然原因：小型，威力大，军事上很有用，它们可以穿过空气并抵抗强大的重力。空间工程师不管怎样是了解变化选择的。

　　在无摩擦的真空中飞行是不需要巨大的反冲力的。很小的动力可以缓慢地稳定地推动飞船达到很高的速度，因为能量是有质量的，阳光可以通过推动一个薄镜面——一个太阳帆——来提供这样的力。太阳引力也提供了另一种方法。光压力和引力可以把飞船送到太阳系的任何地方并返回。只有太阳近处的热量和行星大气将限制旅行，迫使飞船在航行中避开它们。

　　NASA曾经研究过用火箭携带太阳帆到太空，但是为了抵抗发射时的压力和折叠伸展就要做的相当重和结实。未来，工程师可以用一个低质量的张紧结构制作薄金属镜面来实现太空航行。最终可以实现“光航行”，高级别的太阳系航行。经过一年的加速，光航行将达到每秒100千米的速度，把现今最快的火箭远远地丢在后面。

　　如果你能想象一个由石墨纤维绳组成的网络，宽数公里呈蛛网状，空隙象足球场那么大，那么你就可以想象光帆的结构了，然后你再想象空隙由象肥皂泡那么薄的铝箔制成的反射板填满，你就可以看出它的模样了：很多反射板紧挨在一起形成一个巨大的马赛克图案一样的镜子。现在想象一对货物吊在网上象伞兵挂在降落伞上一样，引力使伞张开变平，那你就几乎能把握它了。

　　如果用体积技术来制造光帆，我们必须学会在太空制造，它们的巨大的反射器太精巧而不能承受发射和反折叠。我们将搭建脚手架结构，制造类似薄胶片的反射器，并在太空使用遥控机械手。而空间计划者们已经在为其它空间应用而掌控建造，制造和机器人了。如果我们在空间开发的早期建造太阳帆的话，我们就可以锻炼这些技能而不用发射很多原料上去。虽然很大，脚手架（和制造帆的原料）将可由一到两架航天飞机送到轨道上去。

　　一个造帆装置可以便宜地生产帆。而帆一旦被建成，可以被便宜地使用：它们只有很少的运动部件，很小的质量，和零燃料消耗。它们在外形，功能，和运行消耗方面与火箭都完全不同。计算表明，花费可能相差一千倍，绝对有利于光帆。

　　今天绝大部分人把太阳系的其它部分看作巨大的和不可接近的，它确实很大，像地球一样，要用几个月的时间来环航。它看起来不可接近，但是这不是因为距离远而是因为火箭运输的花费巨大。

　　光帆可以打破成本障碍，开启通向太阳系之门。光帆可以使其它行星变得容易接近，但这不能使行星们变的更有用：它们将还是一片死亡沙漠。行星重力将阻碍光帆往返于它们的表面，也将成为在行星表面采矿的阻力。如果需要的话旋转空间站可以模拟重力，但是行星地面站却不能摆脱掉它。更糟的是，行星大气层挡住了太阳能，弥漫着灰尘，腐蚀金属，加热冷藏箱，冷却加热器，搞坏一切。即使没有大气的月球也在旋转，有一半时间没有阳光，并且有足够的重力使光帆掉落地面。光帆是快的和不疲倦的，但是不够强壮。

　　太空的伟大的和持久的价值在于它的质量，能量和空间。行星占据空间和阻挡能量，它们的原料也难于采集，而小行星却是浮动的原料基地，轨迹穿越整个太阳系。一些穿过地球轨道，一些甚至撞击过地球，留下陨石坑。开采小行星似乎是可行的。我们可能需要用怒吼的火箭把东西送入太空，但是陨星证明普通岩石也可以象航天飞机那样从太空返回，物体在下落时不必非得燃烧起来，把从小行星上开采的原料打包送到位于盐碱地上的降落点将会花费不多。

　　即便是小行星从人的角度来看也是很大的：它们有几十亿吨的资源。一些小行星上含有水和其它物质象油页岩等。一些含有普通岩石，一些上面的金属含有地球表面稀有的元素，和很早就沉入地下形成地球金属核心的元素：这种陨石钢是高强度高硬度的合金，由铁，镍，钴和数量可观的白金和黄金构成。一千米宽的这样一大块原料（还有很多很多）包含的贵重金属值数万亿美元，其中含有的钴和镍可以支持地球上的工业很多年。

　　太阳使空间充满了易收集的能量，一平方千米的薄金属反射镜可以收集十亿瓦太阳能，且不受云和夜晚的影响。在没有气候的太空，很薄的收集器将象水坝那样持久发电。由于太阳每毫秒发出的能量和人类一年使用的能量差不多，所以能源危机将不会很快到来。

　　最后，太空也提供了居住的空间。人们曾经想象行星移民，半球形的城市出现在行星上，慢慢把死气沉沉的行星变成类地星球，经过数年的星际旅行就可以到达。但是行星是无生命的，通常提供的是错误的重力，大气层，一天的长度和距离。

　　自由空间提供了一个更好的建造场地。普林斯顿大学的Gerard O'Neill教授带来的这个观点吸引了公众的注意力，帮助恢复在阿波罗计划之后公众对太空的兴趣。他说明了普通结构的材料——钢和玻璃——可以用来在太空建造环形城市，周长数公里。在此设计中，脚下的泥土保护居民不被宇宙辐射伤害，就像地球上的居民被头顶上的大气层保护一样，旋转提供了一个相等于地球上的重力加速度。宽阔的镜子和窗户使内部充满了阳光。加上土壤，溪流，植被，和想象，这处地方将和地球上最适合人居住的山谷相媲美。仅仅使用小行星上的资源，我们就可以建造上千个新地球。

　　配合现有技术，我们可以打开太空边界。前景是令人振奋的。它为我们显示了一条显而易见的路可以绕过陆地对增长的限制，减轻我们对未来的恐慌。空间边界的允诺可以激起人类的希望——一个必须的资源，如果我们要面对其它问题的话。

　　太空与先进技术

　　通过使用现有技术，我们的确可以开放空间边界——但是我们不能通过目前的空间活动预见未来，人类文明需要数十年的功夫才能在空间稳固下来。在此之前，技术的突破将开启新的途径。

　　今日，工程师团队通常用五到十年的时间开发新的空间系统，花费数千万到数十亿美元。这些工程工期长花费大使得进展痛苦地缓慢。在不远的将来，计算机辅助设计系统将向自动工程系统进化。它们可以使工程时间和花费减少以至大幅度下降，计算机控制制造系统将还能全面地减少花费。自动设计和制造将使空间系统开发成十倍地加快和便宜。我们在太空的进步将飞速发展。

　　到那时，当太空移民者们回头看我们现在的空间项目时，会不会把它看作太空进步的关键呢？可能不会，他们将会看到后几年中的技术进步比过去几十年的成就还要多，他们可以很好地结论，即AI和机器人在太空发展中的作用比整个NASA的工程师团队起的作用还要大。

　　组装机的突破和自动工程系统将一起带来的进步会使我们现在的空间项目显得很滑稽。在第四章，我描述了自复制组装机怎样建造一台轻的，强大的火箭发动机而只用很少的人工帮助。使用类似的方法，我们将建造整个的高性价比的宇宙飞船。同样重量的情况下，钻石基结构的材料比现有太空铝合金强度高约50倍（硬度搞14倍）；用这种材料制成的飞船将比现今的飞船轻90%，一旦进入太空，飞船就展开太阳能收集器，然后用收集来的能量供应组装机和分解机，它们将在飞行过程中改造自己以适应环境或它们的乘客的奇想。今天，空间旅行是个挑战，明天，它会变得容易和便宜。

　　由于纳米技术让自己可以制造更小的东西，考虑一下最小的载人飞船：太空服。因为被迫使用低强度，重的，被动的材料，工程师现在造的太空服臃肿笨拙。看一眼先进的太空服将说明一些纳米技术的能力。

　　想象你在一个空间站上，空间站旋转以模拟地球重力。你接到一个命令，给你一套太空服让你尝试出去：就是那个挂在墙上的，灰色的，像橡胶制成的有透明头盔的东西。你摘下它，掂掂分量，打开，然后从前面的开缝钻进去。

　　这件太空服感觉比最软的橡胶还要软，但内表面很光滑，很容易就钻进去然后手指轻轻一触开缝就合上了。它提供了一层紧身的覆盖物就像薄的皮手套套在手上一样，沿着手向上逐渐加厚，在躯干部位变的和手一样厚；在肩膀后面，几乎不引人注意，有一个小背包。在头的周围，是几乎看不见的头盔；脖子下面的太空服内表面轻轻地，均匀地贴在皮肤上很快就感觉不到了。

　　你站起来走了几圈，体验一下，掂起脚尖跳了跳，感觉不到额外的分量；你弯腰下蹲，感觉不到一点约束或起皱或压迫的地方。当你摩擦手指头时的感觉就好像没有包裹物一样——只是好像皮肤厚了一点。在你呼吸的时候，感觉空气干净而新鲜。实际上，你一点都感觉不到你穿着太空服。更厉害的是，当你步入太空的时候感觉同样的舒服。

　　太空服能做到这一切靠的是一个有复杂活性的结构，其材质几乎和活性生物组织一样复杂。一层一毫米厚的手套层含有一千个内有纳米机械和纳米电路的一微米厚的薄层。一块手指尖大小的面积上含有上十亿台纳米计算机，并且还有99.9%的空间留给其它部件。

　　特别是，留出了活性结构的空间，太空服材料的中间层有一个由钻石纤维通过三维编织成的结构很象人造肌肉，可以推和拉。这种纤维占据了大部分空间使得太空服材料象钢一样结实。通过微电子马达的驱动和纳米计算机的控制，太空服具有了柔顺的力可以任意伸展，收缩和弯曲。你早先感到太空服很柔软，是因为它被编程为柔软。它在真空中也一样能保持住形状，因为它有足够的强度保证它不会像气球那样鼓起来；同样的，它也一样能支撑自己的重量并适合你的动作，快速，平滑，使你感觉不到阻力。这也是你几乎感觉不到它的原因之一。

　　你的手指感觉好像是光着的是因为你感觉到的材质，材质表面有压力传感器，内衬有活性结构：手套感觉到你手指所接触地方的形状——和那里的压力分布——并把同样的质地感觉传给你的手指；它也能反转此过程，把你手指的压力分布传到外界，所以手套好像不在那儿，而你的手指感觉是裸露的。

　　太空服具有钢的强度和类似于你肌体的弹性。如果你重置太空服设置，太空服将继续适合你的运动，但是有些不同，不仅传导你的力，还把力放大十倍，同时把外界作用的力减弱为十分之一。你现在可以和大猩猩进行摔跤比赛了。

　　你呼吸的清新空气也不奇怪，在背包里装有空气和其他消耗品。在外面的阳光里呆几天，你的空气也不会用光：像植物一样，太空服吸收日光和你呼出的二氧化碳，生产新鲜氧气。像植物（或整个生态系统）一样，它把废物分解成简单分子并把它们重组成新的，有益的食物。事实上，这种太空服可以在太阳系内的任何地方都保证你的舒适，呼吸和供应。

　　而且，这太空服是耐用的。它可以容忍大量的纳米机器失效，因为它有更多的替补队员。在活性纤维之间有足够的空间让组装机和分解机拆装和修补损坏的装置。太空服可以用跟损耗同样的速度来修复自己。

　　在可能的限制之内，太空服还可以有很多其它的特性。一块针尖大小的材料上就可以储存我们所有的出版物的文字，并显示在一块折叠屏幕上，同样大小的一块上可以储存比所有我们制造过的东西还多的蓝图的“种子”，和准备制造它们的可复制组装机。

　　还有，快速的AI系统象我们在上一章讨论的可以在早上设计好太空服，下午就把它造出来。

　　所有我们用体积技术完成的在太空的成就将很快在分子技术和自动工程系统到来后被飞快地和戏剧性地超过。特别是，我们可以把自复制组装机用于太空，这些复制机将使用太阳能，象植物一样，它们可以把太空垃圾变成自己的复制品和供人类使用的产品。通过它们，我们就可以采集太阳系的资源了。

　　到现在为止，大部分读者可能已经注意到了，某些前面的讨论，听起来象科学幻想。有些人可能高兴，有些人可能对未来的可能性感到不安。还有一些可能会觉得——听起来象科幻的就不值一提。这种感觉是普遍的，应该认真考虑。

　　技术和科学幻想有长期的共同的联系，在想象未来的技术时，科幻作家们部分地由科学指引，部分源自人类的渴望，部分出于市场对奇异性的追求。他们的一些想象后来变成现实，因为有趣的和模糊的想象有时会证明现实的可能性和吸引力。还有，当科学家和工程师预言一个具有戏剧性的可能性时，例如火箭推动的宇宙飞船，科幻作家们通常都会抓住它并公之于众。

　　随后，当工程进步使这些可能性接近实现时，其他作家又会检验事实并描绘前景，这些描绘，除非很抽象，听起来就像科学幻想。未来的可能性常常和今天的幻想类似，就像机器人，宇宙飞船，和计算机与过去的幻想一样。它还能怎样？神奇的新技术听起来象科学幻想是因为尽管科幻作家经常做白日梦，但他们并不盲目并且有专业的兴趣。

　　科幻作家经常把科学内容小说化（虚构）来解释新奇的技术。一些糊涂的思想家会找出所有这些新技术幻想中的伪科学成分，而忽视重要的部分，这是不幸的。当工程师计划未来的能力时，他们测试想法，进化它们以适应我们对自然法则的最新了解。进化的结果和我们纸上的想象会有区别。我们的生活依赖于它们。

　　很多将依然不可能，即使是分子技术，没有一种太空服，可以被火箭用巨大的速度来回推动，或者在大爆炸后存在，或者能穿墙而过，或在一个绝热的房间内保持冷却。我们在达到可能的极限之前还有很长的路要走，极限是存在的，但这是个我们将在以后讨论的问题。

　　 　　富足

　　太空的资源和组装机以及自动工程系统将使未来成为一个原料极大丰富的世界。这意味着什么我们可以通过成本核查看出来。

　　成本反映了我们资源和能力的限制，高成本代表了稀缺的资源和困难的目标。对资源稀缺的预见会导致大幅提高资源成本，随之产生某种形式的未来。资源成本，无论如何，一直依赖于技术。不幸地，试图预言未来技术成本的工程师通常会遭遇到一堆难以解决的细节和不确定性。这些问题阻碍了我们对未来的理解。

　　可复制组装机，自动工程系统和空间资源的前景可以砍开成本预测这个戈德尔之结。今日的产品成本包括劳动力，生产资料，原材料，能源，土地，废料处理，组织管理，运输，税款，和设计费用。为了看出成本如何变化，我们下面一个一个地来分析。

　　劳动力：一旦第一个已经存在，那么可复制组装机就不需要额外劳动力去制造。组装机的运转和人力也无关。将来，可以用不同尺寸的机器人装置组装大系统，整个制造过程从组装分子到组装摩天楼等的各种应用都不需要人力劳作。

　　生产资料：基于组装机的系统，如果正确编程，将能自己生产生产资料。和大点的机器人一道，它们事实上可以制造任何东西，包括自身的复制品。由于这些自复制资产可以在一天之内翻很多倍，所以只有原料会限制它们的数量。这样的生产资料也不需要额外的花费。

　　原材料：因为分子机器可以排列原子从而达到最佳性能，所以只要一点材料就可以支撑很久。普通元素象氢，碳，氮，氧，铝，和硅可以很好地构成大部分结构，车辆，计算机，衣服等等。它们是轻元素但是可以组成强键。由于泥土和空气中含有丰富的此类元素，所以原材料也可以变的象泥土那么便宜。

　　能源：组装机可以由化学力或电力驱动，组装机构造的系统可以把太阳能转化为化学能，像植物一样，或者把太阳能转化为电能，像太阳能电池一样。现有的太阳能电池已经比植物的效率高很多了。通过可复制组装机来大量建造太阳能收集器，那么能源成本将会很低。

　　土地：基于组装机的系统只占据很少的空间。大部分可以放在柜子里（或顶针，或针眼里）。大点的系统可以被放在地下或者按照需要占据一大片房子。基于组装机的生产系统将使挖掘机和宇宙飞船都变得很便宜。

　　废料：组装机系统将可以控制它们使用的原子，制造产品就像生长苹果树一样干净，甚至更干净。如果嫌苹果园产生的废料不干净或不雅观，我们可以把它们都移出地球去。

　　组织：今天，工业生产需要把工人和经理组织到一起共同合作。组装机系统不需要人参与，仅仅在周围附近安静地生产定制的产品。初始程序将提供所有的组织信息来生产各种产品。

　　运输：通过用廉价的挖掘机挖的通道和在里面运行的自动车辆，运输就既不需要人力也不会破坏风景。充分利用家里的和社区里的组装机系统，运输的需求就不再是首要的了。

　　交税：大部分税都与价值成固定的百分比，因此也在成本上加一个固定的百分点。如果成本是可忽略的，税也就可被忽略。进一步地，拥有自己的复制机和原材料的政府也没什么理由对民众征税了。

　　设计：上述几点都说明了产品成本将降低。技术AI系统，通过避开工程劳动成本，将实际上消除设计成本。这些AI系统自身也将降低制造和运行成本，由组装机制造，一心一意地做设计。

　　简而言之，在计算机和分子技术发展道路的尽头，设计和生产东西的成本将显著下降。我上面提到“非常便宜”的原材料，实际上，组装机可以从泥土和阳光中制造几乎任何东西。太空资源，不管怎样，将使“非常便宜”变成“非常非常便宜”：表层土在地球生态系统中是有价值的，但是我们可以使用采自小行星上的沉寂无人的沙漠中的碎石。同样道理，组装机将在太空使用便宜的阳光。

　　空间资源是巨量的。一个小行星上的原料可以覆盖地球上的大陆一公里厚。空间吞没了99.999999955%的地球以外的太阳能，大部分消失在星际虚空中。

　　太空保存有充足的物质，能量，和空间可以进行很大的项目计划，包括大规模的空间殖民，基于复制机的系统将能建造大陆规模的世界，就像奥尼尔教授的环形空间城市，但是由高强度的碳基材料组成。用这种材料和太阳系卫星上的冰，我们不仅能在空间建造陆地，也能建造海洋，比地中海还要宽和深。用取自太空的原料和能量，这些新大陆和海洋将几乎不消耗任何地球上的资源。首要的需求将是为第一个复制机编程，AI系统将帮助我们。而最大的问题将是我们想要什么。

　　象Konstantin Tsiolkovsky在19世纪末20世纪初写的那样：“人将不会一直呆在地球上，对光明和空间的追求将引导他穿过大气层的束缚，开始是小心地，最后将征服整个太阳系。”我们将给死寂的太空带去生命。

　　复制机将给与我们到达外星的资源。而由太阳光驱动的光帆也将很快在太空航行——比任何现代火箭都快，但是还是不够快以至要用数千年的时间飞跃星际鸿沟。我们可以建造一个巨大的绕太阳运行的激光器，它发出的光束可以把光帆加速到接近光速，那么航行时间将缩短到几年。

　　停止也是个问题，普林斯顿的Freeman Dyson提出利用星际电离气体产生的磁场来减速。休斯实验室的Robert Forward提出用反弹激光束减速，把光束反射向后照射挂在光帆后面的小帆来减速。通过这种或那种方法，遥远的星球将在那里等待我们的到来。

　　在将来的很长时间里，太阳系都能提供足够的空间，地球周围的空间提供了比地球面积大一百万倍的地方。没什么能停止移民，或者回访古老的国家。在为运输系统提供能量方面也没什么问题——地球之外的阳光在10分钟内就可以供给把全部地球人口送到轨道上的能量。空间旅行和空间移民将同时变的便宜，如果我们明智地使用分子技术，我们的后代将会奇怪是什么把我们束缚在地球上这么久，以及为什么我们现在这么贫困。

　　正和社会

　　似乎每件事物的价值——甚至大陆，如果我们不追求脚下有数千公里的岩石的话——将降为零。在某种意义上，这是对的，在另一种意义上，这是大大的错了。人们总会估价物质，能量，信息，和真正的人类劳动，因此每件事仍然有它的价值。最后，我们将面对生长的限制，所以资源成本不能被消除。

　　虽然如此，如果我们生存下去，复制机和空间资源将带来一个新纪元，使得资源限制不能束缚我们——一个按现在的标准衡量是巨大的财富而那时却是免费的时代。这似乎不象是真的，但是自然的限制往往与人的感觉不一样。我们的祖先曾经认为和海洋对面的人（需要航行数月）聊天是不可能实现的梦想，但是现在海底电缆和人造卫星到处都是。

　　但是还有另外一个不是很令人愉快的答案，给那些不相信组装机会实现的人：组装机也会带来危险和从未见过的可怕的武器。如果纳米技术可以被避免而不是被控制，那么头脑清醒的人会避开它。技术竞赛，无论如何，将从生物技术发展出组装机来，就象从导弹发展出宇宙飞船一样。军事利益将足以使进步变的不可避免。组装机是不可避免的，但是也许是可以控制的。

　　我们面对的挑战是如何避免危险，但是这需要合作，如果我们知道我们将获益多少我们就会更加愿意合作。太空开发和可复制组装机将帮助我们清除一些古老和危险的拟子。

　　人类生命象某种零和游戏。人们受生态环境的限制，部落与部落之间为生存空间而战斗。在牧场，农田，猎场这些地方，一方多就意味着另一方少，因为一方的获益差不多就相当于另一方的失利，而总的获利加起来为零。而在一些合作的地方却繁荣起来，所以我们的祖先不仅学会了抢夺，也学会了合作和建设。

　　在纳税，拨款，和法庭辩论被关心的地方，一方多的还是意味着另一方少。我们的总财富增加缓慢，但是财富重新分配却很快，在给定的任一天我们的资源似乎是固定不变的，这使得我们猜想生命是一种零和游戏。这种猜想暗示了大范围的合作是无意义的，因为我们的获得必然建立在别人的失去上。

　　但是人类进步的历史证明了世界的游戏可以是正和的。近几个世纪以来加速的经济增长显示了在富人更富的同时穷人也会变富。尽管人口在增长（分一块大馅饼的观念），世界范围内的平均财富，包括第三世界，还是在稳定增长。经济波动，社会波动，和媒体对坏消息的本能的追逐——加在一起使我们看不清经济的增长，但是公开的历史记录可以足够清楚地显示它。空间资源和可复制组装机将加速这种历史趋势，并超出经济学家的梦想，推动人类进入一个新的世界。

第七章 治疗的发动机

　　把我们和所有前人区别开来的事情之一是，我们看见了我们自身的原子。 　　——KARL K. DARROW，《物理学的复兴》

　　我们将使用分子技术给人们带来健康，因为人类躯体是由分子构成的。疾病，衰老，和受伤都是由于原子排列形式的错误，无论是起因于病毒，时间的流逝，还是车祸。可以引起原子错排的装置也可以使它们正确排列。纳米技术将带来医药方面的根本性突破。

　　医师们现在主要靠外科手术和药物来治疗疾病。外科医生们现在可以做从缝合伤口和切除残肢到修复心脏以及重接断肢的很多事情。使用显微镜和好的工具，他们可以连接精巧的血管和神经，但是即使最好的显微外科医师也不能切割和缝合精密的组织结构。现代的手术刀和缝合线对于毛细血管，细胞，分子来说还是太粗糙了。考虑一下从细胞的视点来观看“精细”外科手术：巨大的刀锋切下来，割开了成千的细胞，无数的分子机器四处飞溅；过了些时候，一个巨大的方尖碑插进被割开的细胞群中，后面拖着个象火车那么粗的缆绳，把分开的细胞又缝到一起。从细胞的角度来看，即使最精细的外科手术，使用最精致的手术刀和最高超的技艺，看起来也像是一场屠杀。只有细胞水平上的重组、繁殖的能力才能使治愈成为可能。

　　但是正如很多医疗事故的受害者清楚地知道的那样，不是所有的组织都能治愈。

　　药物治疗，和外科手术不同，处理细胞内的精细结构。药物分子是简单的分子装置。细胞中有很多有效的特殊分子。例如，吗啡分子，结合大脑细胞中的某些特定分子，影响引起痛苦信号的神经脉冲。胰岛素，贝塔受体阻滞药和其它的药物，结合另外的受体。但是药物分子是盲目地工作的。一旦进入体内，它们就在周围溶液内乱闯乱撞，直到碰到目标分子，结合，粘牢，然后影响它们的功能。

　　外科医生可以看到问题并计划手术，但是他们使用的是粗糙的工具，药物分子在分子水平上影响组织，但是它们太简单而不能感觉、计划并行动。而由纳米计算机控制的分子机器则可以为医师们提供另一种选择。它们拥有传感器，内置程序，和分子工具形成可以检查并修补单个细胞中的基本部件的系统。它们将把外科手术带到分子领域。

　　这样的先进分子装置将在十年内出现，而被医学需要推动的研究者们已经在开始研究分子机器和分子工程了。最好的药物可以通过特殊的途径影响特定的分子机器。例如青霉素，它通过干扰某些细菌用来建造细胞膜的纳米机器来杀死它们，而对人类细胞则几乎没有任何影响。

　　生物化学家通过两种途径来研究分子机器，建造它们和破坏它们。整个世界到处是病毒，细菌，原生动物，真菌，和蠕虫寄生于人体。象青霉素一样，对付这类疾病的安全，有效的药物要能夹住寄生虫的分子机器而不伤害人类的分子机器。Seymour Cohen博士，药理学教授，说生物化学家应该系统地研究这些寄生虫内的分子机器。一旦生物化学家确定了一种重要的蛋白质机器的形状和功能，他们就可以设计出一种可以夹住并摧毁它的分子来。这种药物可以把人类从古老的恐惧之中解脱出来，如血吸虫病和麻风病，也可以从新的恐惧，如AIDS中解脱出来。

　　制药公司已经开始在了解分子如何工作的基础上重新设计分子了。Upjohn公司的研究者已经设计和改变了抗利尿激素分子，一种由氨基酸短链组成的激素。抗利尿激素可以增强心脏功能并减少肾生成的尿，但这会提高血压。研究者修改了抗利尿激素分子使得它更多地影响肾内的受体而更少地影响心脏内的受体，赋予它们特殊的药性和可控影响。最近，他们设计了一种改进型抗利尿激素分子，它们不直接影响受体分子，而是可以约束自然产生的抗利尿激素分子。

　　医学需求将推动这类研究，鼓励研究者们在蛋白质设计和分子工程上迈出更大的步伐。医学，军事，和经济压力都迫使我们向同样方向发展。甚至在组装机突破之前，分子技术就将在药物方面带来令人印象深刻的进步。生物技术的趋势就是保证。当然，这些进步通常很难预测，每个都会开拓生物化学的某个领域。之后，当我们把组装机和技术AI系统用于药物领域，我们就可以获得很容易预测的能力。

　　为了了解这些能力，考虑一下细胞和它们的自修复机制。在你体内的细胞中，自然辐射和有害化学物质破坏分子，产生起副作用的分子碎片，它们通过被称为交叉连接的过程错误地连接到其他分子上；象子弹和粘合剂可以破坏机器一样，辐射和分子碎片也可以毁坏细胞，通过打破分子机器和绑住它们。

　　如果你的细胞不能自修复，那么伤口将会很快杀死它们或使它们发狂，但是进化赐给了生物体解决这些问题的机制。在第四章描绘的自复制工厂系统可以通过替换损坏部件来自修复，细胞也可以这样。只要细胞中的DNA保持完整，它就可以复制基因片断从而指导核糖体组装新的蛋白质机器。

　　不幸地，DNA自己也会损坏，导致基因变异。修复酶可以通过探测和修补某些类型的DNA缺损来补救。这些修复使得细胞存活下来，但是现有的修补机制太简单而不能纠正所有的问题，无论是DNA的还是别的。错误会积累下来，导致细胞的衰老和死亡，以及人的衰老和死亡。

　　 　　生命，思维，和机器

　　把细胞描述为“机械”是有意义的吗？它们是否自复制？由于我们是由细胞组成的，所以这似乎把人类也看作“仅仅是机械”了，和我们对生命的整体看法是冲突的。

　　但是字典上是这样定义整体论的：“现实是有机的和统一的整体，并且大于它们的部分之和。”这当然也适用于人类：简单地把我们的部件加起来就成了汉堡包，而没有思想和生命。

　　人类躯体包含1022个蛋白质部件，没有比这更复杂的机器了，以至任何想对这样复杂系统的简单描述都不可避免是粗糙和不完全的，只有从细胞级别的机制描述才是有意义的。细胞从整体上来看是非机械的，但生物学家发现从分子机器的角度来描述它是非常有用的。

　　生物化学家把曾经是生命的中心迷题拆开，并开始逐步完善细节。他们跟踪分子机器，看它们如何打碎食物分子，把它们加到基本建造模块中，并用这些模块建造和更新组织。人类细胞中的很多结构细节还不清楚（单单一个细胞内就有数千种几十亿个大分子），但生物化学家们已经把某些病毒的所有结构都搞清楚了。生物化学实验室里通常都在墙上挂着一幅大图显示细菌内部的分子功能块的流动。生物化学家了解了很多生命过程的细节，而那些他们不了解的似乎也遵循同样的法则。神秘的遗传现在变成了基因工程产业。甚至胚胎发育过程和记忆机制也在生物化学和细胞水平上得到了解释。

　　在近几十年，我们的无知的本质在变化。曾经，生物学家看着生命过程问道：“怎么会这样？”而今天他们了解了生命的普遍法则，当他们研究一个特别的生命过程时通常会问：“有这么多条路可走，自然会选择哪条呢？”在很多情况下他们的研究把很多可能的解释限制在一个领域中。某些生物过程——细胞的合作形成胚胎发育，大脑的学习，和反应免疫系统——仍然是对想象力的一个挑战。这不是因为对某个部件的工作行为不了解，而是因为很多部件相互作用形成一个整体的巨大复杂性。

　　细胞遵守描述外部世界的同样的自然法则。蛋白质机器在正确的环境中就会工作不管它是否在一个机能细胞中以及细胞中的其余部件是否是新生成的。分子机器不知道“生”和“死”。

　　生物学家——当他们烦恼的时候——有时定义生命为生长，复制，和应激反应的能力。按照这个标准，一个无思想的复制机工厂系统也可称为有生命的，而在大脑中形成的人工智能模型却可能不符合条件。病毒是有生命的吗，或者它们“仅仅”是奇异的分子机器？没有任何试验可以解决，因为自然没有在生命和非生命之间划出界限。研究病毒的生物学家会问关于发育的问题：“如果给个机会的话，这种病毒会不会动作？”在医学上“生”与“死”的标签依赖于医学能力：医师们问，“这个病人会活过来吗，如果我们尽力的话？”医生们曾经把心脏停止跳动定义为死亡，而他们现在把大脑停止活动定义为死亡。强心剂的发展改变了死亡的定义，大脑药物的发展将会再一次改变这个定义。

　　就像一些人对机器思维的想法感到不舒服一样，有些人会对我们思维的基础是机器这一想法感到不舒服，“机器”这个词似乎常常令人想到粗笨的，叮当作响的金属，而不是神经纤维中闪烁的神经信号，复杂的神经图案是大脑本身不能完全理解的。大脑中真正象机器的机器存在于分子水平，比最细的纤维还要细。

　　整体不必要和它的部分相似。土疙瘩和喷泉一点也不象，但是象土疙瘩一样的分子组成了流动的水。按照同样的方式，几十亿台分子机器组成了神经纤维和神经节，数千纤维和突触组成了神经细胞，几十亿神经细胞组成了大脑，而大脑中形成了意识流。

　　把思维称为“仅仅是分子机器”就像把蒙娜丽莎称为“仅仅是油漆涂料”一样。这种表述把部分和整体搞混了，而且把物质和它承载的内容也搞混了。我们不仅仅是由分子构成的人。

　　从药物到细胞修复机器

　　因为我们是由分子组成的，并且对自己的健康很关心，所以我们会将分子机器应用到生物技术中。生物学家已经使用抗体来标记蛋白质，用酶来剪切和连接DNA，和用病毒注射器（例如T4噬菌体）来把编辑好的DNA注射到细菌体内。在将来，他们将使用组装机制造的纳米机器来探测和改变细胞。

　　使用类似分解机的工具，生物学家最终将能研究细胞的分子结构。他们可以给人体内的数十万种分子编好目录，并画出数百种细胞的结构。非常象工程师给汽车编制的零部件列表和画的工程图，生物学家也将描述健康组织的部件和结构。到那时，他们将得到有经验的技术AI系统的帮助。

　　医生们的目的是保证组织健康，但用药物和外科手术并不能使组织自己修复。分子机器将允许更直接的修补，带来一个医学的新时代。

　　为了修一辆车，技师首先要找到坏的地方，然后确定并去掉损坏的部件，最后修理或更换它们。细胞修补将完成同样的基本工作——活的生物体已经提供了可能性。

　　存取：白血球细胞可以从血液中离开并穿过组织，病毒可以进入细胞。生物学家已经能把针头插入细胞而不杀死它们。这些例子表明分子机器可以进入细胞。

　　识别：抗体和T4噬菌体的尾部——事实上，所有特定的生物化学相互作用——都显示了分子系统可以通过接触来识别另外的分子。

　　分解：被损坏的酶（和其它生猛的活性化学物质）显示了分子系统可以分解被损坏的分子。

　　重建：自修复的细胞显示了分子系统可以建造和重建细胞中发现的每一种分子。

　　重新组装：自然也显示了分离的分子可以被重新组合在一起。例如T4噬菌体的机器，在一种酶的帮助下，它可以从溶液中自组装。细胞复制显示了分子系统可以组装细胞中发现的每一种分子。

　　因此，自然证实了所有在细胞中进行分子级修理所需要的基本操作是可行的。而且，象我在第一章中所述，基于纳米机器的系统将通常是比自然中产生的那些更小型和更能干。自然系统在可能性方面显示出了受到的限制很少，不管是在细胞修复还是其它情形下。

　　 　　细胞修复机器

　　简而言之，通过分子技术和技术AI系统我们就可以完整的描述分子水平的健康组织，然后可以制造能进入细胞并感受和改变它们结构的机器。

　　细胞修复机器在尺寸上可以和细菌及病毒相比较，但是它们的零件更小所以它们可以更加复杂。它们将象白血球那样在组织中穿行，然后象病毒那样进入细胞——或者在医生的观察下打开和关闭细胞膜。在细胞内，修复机器将通过检查细胞内的物质和它们的活性来评估状态，然后行动。早期出现的修复机器将是高度专一的，可以识别和修正一种分子，如失效的酶或某种DNA损坏。以后出现的机器（不会很迟，因为有技术AI系统）将有更通用的能力。

　　复杂的修复机器将需要纳米计算机来指导它们。象第一章中讨论的一微米宽的机械计算机，体积只有细胞体积的1/1000，但是能储存比DNA还多的信息。在修复系统中，这种计算机将指导更小的，更简单的计算机，它们直接控制机器去检查，移除分子部件，以及重建损坏的分子结构。

　　通过一个分子一个分子地，一个结构一个结构地修复，修复机器可以修复整个细胞。通过一个细胞一个细胞地，一个组织一个组织地，它们（在更大装置的帮助下）将能修复整个器官。通过修复器官，它们就可以恢复人体的健康。因为分子机器将能从混沌中建造分子和细胞，因而它们也能修复死亡的细胞。因此，细胞修复机器将带来本质的突破：它们将淘汰药物，把健康建立在自修复的基础上。

　　要形象化一个先进的细胞修复机器，我们可以想象它——和一个细胞——把它们放大到每个原子都象可见的小珠子那么大。在这个尺度上，修复机器的最小的工具尖端大概和你的手指头差不多大，一个中等尺寸的蛋白质，例如血色素，和打字机差不多大，而核糖体的大小则象台洗衣机。一个简单的带有简单计算机的修复机器尺寸和一辆小卡车差不多，加上许多蛋白质大小的传感器、几个核糖体大小的操纵机器、以及为存储器和动作提供能量的供应装置，整个体积相当于底边长10米左右，三层楼高的房子大小。从原子水平上来看，这台修复机器可以做很复杂的事情。

　　但是这台修复机器并不是单独工作的，它象它的很多兄弟一样，通过胳膊那么粗的机械数据联线连接到一台大的计算机上。在这个尺度上，一台拥有巨大内存的立体计算机有30层楼高，底面积和足球场差不多大。修复机器把信息传给它，它返回动作指令，看起来这么大的物体实际上还很小：在这个尺度上看，一个细胞的直径有一公里，比大计算机大1000倍，或者比简单修复机器大100万倍。细胞是巨大的。

　　这样的机器能做修复细胞的工作吗？现存的分子机器证明了具有穿过组织，进入细胞，识别分子结构等等的能力，但是其它的一些需求也是重要的。修复机器工作得够快吗?如果够快，它们会放出很多热量使病人发热吗？

　　最大规模的修复也不会比从混沌中建造细胞花更多的力气。而细胞中工作的分子机器建造细胞的时间从几分钟（细菌）到几小时（哺乳动物）。这说明修复机器也能用合理的时间做大量的工作——至多几天或几星期。细胞中有很多冗余，即使大脑细胞中有10%的废物，也能正常工作。

　　为修复机器提供能量是简单的：细胞中自然含有的化学物质就可以为纳米机械供能。大自然也显示了修复机器可以被冷却：你体内的细胞每天都在稳定地更新，而且小动物长得很快却不用冷却自己。在相同水平上控制修复机器产生的热量是不需要出汗的——或至少不需要出很多汗，如果出一星期的汗是为健康所必须付出的代价的话。

　　所有这些修复机器和现存生物机器的比较提出了一个问题，修复机器是否能改善自然？DNA修复提供了清楚的证明。

　　象一个不识字的“书籍修复机”可以修复损坏的书页一样，细胞中的修复酶能识别和修复DNA的缺损。而纠正拼写错误（或突变），就需要有读的能力。自然中缺乏这样的修复机器，但是它们也很容易被造出来。想象有三个同样的DNA分子，每个都相同，就是说有相同的核苷酸单元排列顺序，现在想象每条链都有变异改变了不同地方的核苷酸单元，每条链看起来似乎还是正常的，但是修复机器将可以将它们互相比较找出差别来，一次一段，当发现核苷酸单元不相同时，就改变那个和另外两个片断不相同的片断，直到所有片断都互相一致为止。这样就可以修复损坏的地方了。

　　使用这种方法当两条链在同一处出错时就会有问题，想象三个人类细胞中的DNA都被严重损坏了——在数千次的突变后，每个细胞中的DNA中每百万的核苷酸就有一个被改变了，我们的三链纠正机制出错的几率就是1012分之一，而如果同时比较五条链，几率就是1018分之一等等，以此类推。一个能比较很多条链的装置可以使这种方法的出错几率降到接近于零。

　　在实践中，修复机器将比较数个细胞中的DNA，得到正确的复制品，并用这条标准链来校对和修复组织中的DNA。通过比较，修复机器将极大地改进自然中存在的修复酶。

　　其它种类的修复需要关于健康细胞和被特定损坏的细胞的特定信息。抗体通过接触来识别蛋白质，正确选择适当的抗体就可以区别任何两种蛋白质的不同形状和表面特性。修复机器也将通过同样方法识别分子。通过合适的计算机和数据库，它们将可以通过读取蛋白质的氨基酸序列来识别蛋白质。

　　考虑一个复杂的和能干的修复系统，体积有2立方微米——大约是一个典型细胞体积的2/1000——将能足够放下一个中央数据库系统，它可以：

　　1、通过检测一段短的氨基酸序列就可以快速识别数十万种人类蛋白质。 　　2、识别细胞中的所有其它复杂分子。 　　3、记录细胞中每个大分子的类型和位置。

　　每个小的修复机器（细胞中有上千个）将含有一台简单计算机。每台计算机可以在酶改变分子键的时间内运算一千次，这速度看来是足够的。因为每台计算机都可以和一台大计算机通信来存取中央数据库，所以内存也是够用的。修复机器将同时拥有它们需要的机械手和控制它们的“大脑”。

　　这样的组合将超量（过分？）解决许多健康问题。例如，仅仅可识别和摧毁特定种类的细胞的装置，将能治愈癌症。在每个细胞中放置计算机网络很象用链锯把黄油切成片，而有链锯意味着可以切开更硬的黄油。如果要描述医学可能性的限制的话，多说一点总比少说要好。

　　 　　一些治疗

　　纳米机器在医学中的最简单的应用不是修复而是有选择的摧毁。癌症就是一个例子，传染性疾病是另外一个。目的是明确的：最终要能识别和摧毁危险的复制机，不管是细菌，癌细胞，病毒，还是寄生虫。相似地，动脉血管壁的非正常生长和堆积导致了心脏疾病，能识别，打碎，并排除它们的机器可以使动脉血管干净，血液流通顺畅。选择性摧毁也可以治愈象包疹这类病毒把自己的基因嫁接到宿主细胞DNA上的疾病。修复机器可以进入到细胞内，去掉病毒写下的“代码”段。

　　修复被损坏的，错误连接的分子也可以用更直接的方法。面对一个被损坏的，错误连接的蛋白质，细胞修复机器首先通过检验氨基酸短链来识别它，然后从数据库中读取正确的结构信息，纳米机器比较蛋白质和它的结构蓝图，一次一个氨基酸。和校对者发现错误拼写和乱码一样，它可以发现任何氨基酸和排列的错误。通过纠正错误，它就可以把蛋白质修好，使它们可以重新去完成自己的工作。

　　修复机器也可以帮助康复。在心脏手术后，疤痕组织会代替死亡的肌肉，修复机器可以通过重置细胞控制机制来刺激心脏生长新的肌肉。通过去掉疤痕组织和指导新的生长，它们可以使心脏康复。

　　通过解决一个问题又一个问题（重金属中毒？——发现和去掉金属原子），这样的例子列表会很长很长，而结论是容易概括的。身体的紊乱来源于原子的错排，修复机器将能使它们重新正确排列，从而使肌体恢复健康。比编辑一份长长的可治愈疾病列表（从关节炎，粘液囊炎，癌症和登革热到黄热病）更是有意义的，是看看细胞修复机器的极限。极限确实存在。

　　考虑一下中风，引起大脑损坏的一个原因，预防是简单直接的：脑血管在弱化，膨胀，快要破裂了吗？把它整回原状并引导生长加强纤维。有凝结的血块将要阻碍循环吗？赶快溶解血块并加血管衬套以防止复发。中度的神经损坏也可以被修复：如果血液循环减少削弱了功能但是细胞总的结构没有被破坏，就恢复循环并修复细胞，使组织恢复原状。这将不仅恢复每个细胞的功能，还能保护记忆和大脑中包含的已经学会的技能。

　　修复机器甚至可以重新生成新的大脑组织即使它们已经被损坏。但是病人会丧失在大脑的那个部位含有的以前的记忆和学到的技能。如果个人独特的神经网络完全被毁了，那么细胞修复机器就不再能修复它们，就象艺术博物馆员不能修复被烧毁的艺术品一样。可以修复被删除的结构而不能恢复以前存储的信息是组织修复的最重要的极限。

　　其它的一些任务由于不同的原因超过了复制机器的能力——例如保持心理健康。细胞修复机器将能纠正某些问题，当然。胡思乱想有时有生物化学原因，就象大脑被麻醉和中毒一样，其它的问题源自组织损坏。但是很多问题和神经细胞的健康无关，却影响到精神的健康。

　　精神和大脑组织就象小说和书页，溅出的墨汁会损坏书页，使小说读起来困难。而书籍修理机器可以恢复“物理健康”，通过去掉多余的墨汁或者修补纸张纤维。这样的处理不影响书的内容，因为内容是非物质的。如果是一本廉价的冒险故事，里面有残缺的地图和空字符，那么修补就不是在墨水和纸上，而是小说内容上了。这不需要物理修复，而是需要作者的用心，也许需要提示。

　　同样的，修复大脑的神经纤维可能有助于人的思考，但是不能修正精神内容。这可以通过患者的努力来改变。我们都是我们思想的作者。因为思维通过改变大脑来改变自己，所以有一个健康的大脑将比使用好纸来写书更有意义。

　　熟悉计算机的读者可能愿意从硬件和软件的角度来思考，一台能修理计算机硬件的机器既不需要理解软件也不需要改变软件。

　　这种机器可以使计算机停止运行但是同时保持计算机内存储信息的完整，随时可以开机工作。由于计算机使用了“非易失性”存储器，使用者可以仅仅关闭电源来实现上述目的。在大脑中情况似乎更复杂，但是医学进步可以保证相似的状态。

　　 　　麻醉+

　　医生们已经可以通过影响作为思维基础的化学活性来停止和重新启动意识。在生命过程中，大脑中的分子机器处理分子，一些可以分解糖分子，把它们和氧化合，获得能量；另外一些可以驱动盐离子通过细胞膜，其它的建造一些小分子并释放它们成为其它细胞的信号分子。这些过程形成了大脑的新陈代谢，和总的化学活性。伴随着电子效应，这种代谢活动成为思维模式改变的基础。

　　外科手术师用刀来切割人体。在十九世纪中叶，他们学会了使用化学药物来阻碍意识使病人不会明显地反抗切割。这些化学药物就是麻醉剂。它们的分子自由地进出大脑，允许麻醉师中断和重启人的意识。

　　长期以来人们就梦想有一种药物能干预整个人体的新陈代谢，能整小时，整天，或整年地中断新陈代谢，结果便是一种生物停滞状态。一种可以提供可逆的“生物停滞”状态的方法可以使宇航员在空间旅行中节省粮食和避免疲倦，或者实现某种单程时间旅行。在医学上，生物停滞可以提供深度麻醉使医生可以有更多的手术时间。当事件发生紧急来不及求医时，一个好的生物停滞处理可以提供一种通用的急救方法：它可以稳定病人的状态，防止分子机器胡来从而损坏组织。

　　但是现在还没有人能找到一种能像麻醉师停止意识那样停止整个新陈代谢的药物——就是说，在某种程度上可以通过从组织中洗掉药物来简单地反转此过程。虽然如此，当修复机器出现的时候这种生物停滞就会成为可能。

　　看看一条可行的途径，想象血流载运着简单的分子装置输送给组织，然后它们从组织进入细胞，在细胞里它们会阻碍进行新陈代谢的分子机器——在大脑或其它地方——把各个结构交织起来使之稳定。然后另外的分子装置进入细胞，取代水分子成为包裹细胞内各种大分子的东西。这些步骤停止了新陈代谢并保护了细胞的结构。因为细胞修复机器将被用来反转此过程，所以此过程对分子造成的损害很小并且不会有持久性的伤害。在新陈代谢停止，细胞中的各个结构被“冻结”后，病人就会安静地进入休眠状态，连梦都不会做，直到修复机器恢复生命的活性。

　　如果处在这种状态下的病人被一个不懂细胞修复机器的医生处理的话，情况就会很变得严峻。因为没有任何生命的迹象，医生会做出死亡的诊断，然后（因死因不明）做尸体解剖，然后下葬或火化。

　　但我们想象的病人是生活在一个生物停滞被众所周知的时代，人们都知道生物停滞只是生命的暂停而不是完结。当病人的合同上说“叫醒我”（或者修复完成或者宇宙飞行到达目的地）时，主治医师便开始启动复苏程序。修复机器进入病人的组织，移除细胞中的各个大分子周围的包裹物，代之以水分子，然后把被“锁住”的细胞器解开，修复任何被损坏的分子结构，恢复正常的盐，血糖，ATP的浓度等等。最后，它们给新陈代谢机器移除障碍，中断的新陈代谢过程恢复了。病人打打哈欠，伸伸懒腰，坐起来，感谢医生，看了看日期，然后走出大门。

　　 　　从功能到结构

　　生物停滞的可逆性和严重冲击损坏的不可逆性可以帮助我们理解细胞修复机器将如何改变医学。今天，医师们只能帮助组织自己恢复健康，因此他们必须保持组织的正常功能。如果组织不能工作，他们就不能治疗。更糟的是，要是它们不被保护起来，就会产生退化，最后破坏本身的结构。这就好比机械师的工具只有在马达开动的情况下才能工作。

　　细胞修复机器把中心需求从保护功能变成了保护结构。象上面讨论过的，修复机器将只有在基本神经网络结构保持完整的基础上才能恢复大脑的记忆和学会的技能。生物停滞会保持神经结构而只是阻碍它们的功能。

　　所有这些都是分子修复的直接结果。医生们用手术刀和药物不能修复细胞，就象用镐和一罐油不能修复手表一样。在另一方面，使用修复机器和普通营养品就象使用钟表匠的工具和无限制的零件供应来修复手表。细胞修复机器将从根本上改变医学。

　　 　　从处理疾病到建立健康

　　药物研究者们现在研究疾病，寻找能阻止或反转它们的方法，通常是通过阻断疾病产生过程中的关键的步骤来实现，由此获得的知识对医生有很大的帮助：他们现在用胰岛素来治疗糖尿病，用降血压药物防止心脏病，用青霉素治疗感染等等，单子可以列的很长。分子机器将能帮助疾病研究，而且还能使了解疾病变的不那么重要，而修复机器将会使了解健康机制变得逐渐重要起来。

　　人体有很多途径可以导致疾病而不是健康。例如，健康的肌肉组织，有不多的几条变化途径：可以变得更强或更弱，更快或更慢，具有这种抗原或那种抗原等等。所有这些变化都可能导致肌肉组织破坏，除了这些还有其它的因素，如疲劳，撕扯，病毒感染，寄生虫，撞伤，刺破，有毒物质，肿瘤，萎缩病，和先天性异常等。同样的，虽然神经元在大脑中可以构成各种不同的网络，但它们的突触和基本形态则会保持在一个适度的形式范围内——如果它们是健康的话。

　　一旦生物学家可以正确描述正常的分子，细胞，和组织，那么通过正确编程的修复机器将能治愈任何疾病，包括现在还不知道的疾病。一旦研究者可以正确描述一个健康者的体内结构，那么修复机器就可以通过比较差异来检测有故障的人体。即使是不认识的新的毒物分子，机器也能通过识别成外来分子来除掉它。先进的修复机器将不用操心去应付上百万种的疾病，而只需要建立一个健康的状态。

　　开发和编程细胞修复机器需要很多努力，知识，和技能。通用修复机器似乎是容易建造和编程的。它们的程序要能包含上百种细胞的知识和几十万种分子的知识。还要能检测损坏的细胞结构并决定如何去修复它们。这要开发多长时间呢？现在还不能确定，按照生物化学的现状和它的发展速度来看可能需要一个世纪的时间去收集基本知识。但是我们不能孤立地看问题。

　　修复机器将随着其它技术的浪潮而来，可以制造它们的组装机将首先被用来制造探测细胞结构的仪器。即使悲观主义者也会同意人类生物学家和工程师使用这些工具可以在一百年之内制造和编程细胞修复机器。一个武断的悲观论者可能会说要用一千年，一个否定论者可能说要一百万年。那么很好：通过使用快速的技术AI系统——比科学家和工程师快一百万倍的——将在一年内开发出先进的细胞修复机器来。

　　 　　一种被称为“衰老”的病

　　衰老是自然产生的，但是天花也是自然产生的而我们可以预防它。我们征服了天花，看起来我们也可以征服衰老。

　　在过去的世纪中寿命在延长，但这主要是因为更好的卫生条件和药物减少了细菌性疾病。基本的生命时间增长的很少。

　　但是，研究者们在了解和减缓老化方面获得了一些进步，他们确定了一些原因，诸如无法控制的交叉连接。他们想办法进行局部治疗，诸如使用抗氧化剂和抑制剂。他们提出和研究其它的老化机制学说，诸如——细胞中的时钟改变了体内的激素平衡。在实验室实验中，特殊的药物和食物延长了老鼠的25%-45%的生命。

　　这类工作将继续下去，即使在生育高峰的时代，人们也期待衰老研究的发展。一个生物技术公司，丹麦的Senetek，专门进行衰老研究。在1985年四月，Eastman Kodak和ICN药品报告了一项4500万美元的生产计划，生产异丙基苷和其它可以延长生命的药物。传统的抗衰老研究的结果将充分地延长人类寿命——并改善老年人的健康——在未来10-20年中。药物，手术，锻炼和食品将能在多大程度上延长寿命？现在还很难估计。只有新的科学知识才能解决这种问题，因为它们依赖新科学而不仅是新技术。

　　有了细胞修复机器，生命延长的可能性就变得清晰了，它们可以使细胞一直保持特定的完整的结构，并可以替换损坏的细胞。它们将可以恢复健康。衰老基本上和其它的物理紊乱没有区别，和神秘的“生命力”无关。易断的骨头，易皱的皮肤，低的酶活性，缓慢的创伤恢复，可怜的记忆，和其他所有的结果都是由于分子机器的损坏，化学失衡，和结构出错。通过把体内所有的细胞和组织都恢复成年轻的结构，修复机器可以帮你恢复年轻的生命。

　　能活到细胞修复机器出现的时代的人将有机会恢复青春并且几乎想保持多久就保持多久。当然，没有什么能使人（和其他东西）永生，但是除非出现意外事故，那些希望长命的人可以活得很长很长。

　　作为技术进步，它们的原理将会变得清楚，它们将会引出很多结果。火箭的原理在1930年就搞清楚了，然后用它实现了空间飞行。随后也完善了油箱，发动机，仪器等的设计。在1950年代，很多细节都完善了以后，古老的飞向月球的梦想就变成了现实。

　　分子机器的原理已经很清楚了，利用它就可以造出细胞修复机器。细节的完善将涉及到设计分子工具，组装机，计算机等等，很多现存的分子机器的细节已经被我们所知，古老的长生不老的梦想也将成为可计划的目标。

　　医学研究一步一步地指导我们走向分子机器，全球范围的在材料，电子，生物化学工具方面的竞争也迫使我们走向同一个方向。细胞修复机器可能需要很多年去研发，但是它们就在前面。

　　它们将带来很多能力，既有好的也有坏的。想象一下具有细胞修复机器能力的军用复制机就足以令人厌恶。在后面我将谈到如何避免这种灾难，但明智的做法似乎应该是先谈谈细胞修复机器的好处。看起来好的真的好吗？长寿将会怎样影响世界？

第八章 长寿和开放的世界

　　习惯长寿使我们厌恶死亡 　　——Sir THOMAS BROWNE

　　细胞修复机器提出了关于延长人类生命的价值的一系列问题。这不同于今天的医学伦理学问题，今天这些问题通常和困难的抉择、高昂花费和低效的处理有关。将来这些问题会变成如何用廉价的方式实现长寿和健康。

　　对重视生命和享受生活的人来说，这些问题不必回答。但是经过一个以人口增长，环境污染，和资源消耗为标志的十年后，很多人都会对延长生命的愿望产生质疑，这助长了“直面死亡”的拟子的传播。这类拟子需要被重新审视，因为很多是建立在旧的世界观的基础上的。纳米技术将改变的要比仅仅延长人类生命多的多。

　　我们不仅将获得治疗我们自身的方法，也将拯救被我们伤害了的地球。因为不断拯救生命将使得生命的总数增加，寿命的延长也将产生人口增加所带来的问题。而我们拯救地球的能力将能减少反对的理由。

　　细胞修复机器本身也将引起争论。它打乱了关于我们的身体和我们的未来的传统假设：这使得疑问减少了一些。它将需要几个主要的突破：这使得疑问容易回答。由于细胞修复机器的可能性或不可能性成为重要话题，所以考虑一下可能提出的反对意见是有意义的。

　　 　　为什么反对细胞修复机器？

　　哪种反对意见会说细胞修复机器不可能实现呢？一个成功的反对意见必须要能解决一些矛盾之处，它必须支持分子机器不能建造和修复细胞的论点，同时又承认我们体内的分子机器确实每天都在建造和修复细胞，这对怀疑论者来说是个痛苦的问题。是的，人造机器必须要能做自然机器不能做的事，但是它们也不必要做任何本质上是神奇的事。自然和人造的修复装置都需要接近、识别和重建分子结构。我们将能改进DNA修复酶，仅仅通过比较多个DNA链来实现，所以说自然显然并没有发现所有的窍门。这个例子探讨了反对细胞修复机器的看法的各个方面，所以看起来反对修复机器的看法很难站得住脚。

　　还有两个问题应该直接回答。第一，为什么我们应该期待在未来几十年内实现长寿，在人们尝试并失败了数千年以后？第二，如果我们确实能使用细胞修复机器来延长生命，那么为什么自然（已经拥有自修复细胞几十亿年了）没有能进化出完美的修复机器呢？

　　 　　人们不断尝试不断失败

　　数千年以来，人们都在渴望能逃脱短命的限制，经常有江湖郎中说有长生不老之药，但是这些都是假的。这些失败的统计使得一些人认为既然这些尝试都失败了，那么这件事就是不可能的了。他们说：“老化是自然现象”，对他们来说这个理由足够了。医学的进步将会改变他们的看法，但进步首先是在于减少早期死亡，而不是扩展生命过程。

　　现在生物学家开始研究可以建造，修复，和控制细胞的机器了。他们开始学会组装病毒和为细菌重新编程了。历史上第一次，人们开始研究他们自身的分子和解开生命分子的秘密。看起来分子工程师将使用先进的生物化学知识和改进的分子机器，去学会修复被损坏的组织并使它们恢复活力。这没什么奇怪的——相反，如果具有了这种能力和知识以后却没有带来戏剧性的结果反而是奇怪的。过去的失败的统计与此无关，因为我们从来没有尝试过使用细胞修复机器。

　　 　　自然不断尝试不断失败

　　自然已经制造了细胞修复机器，伴随多细胞动物的进化进行了数亿年，但是进化的动物依然会衰老和死亡，因为自然的纳米机器的修复功能并不完美。为什么进步应该是可能的呢？

　　老鼠出生几个月后就成熟，然后在两年内衰老并死亡——人类经过进化能活比这长30倍或更长的时间。如果长寿是进化的首要任务，那么老鼠也可以活得很长。但是耐久性是有代价的：修复细胞需要对能量，原材料，和修复机器的投资。老鼠基因指导老鼠的身体快速生长和繁殖，而不是小心翼翼地自修复。一只不能很快生长成熟的老鼠将更容易成为猫的夜宵。老鼠基因把老鼠的身体当成不值钱的广告传单到处散发而获得成功。人类基因也一样地轻视人类生命，虽然人的寿命比老鼠长很多倍。

　　但是低劣的修复并不是老化的原因，基因用相当稳定的速度通过某种生长形式把蛋变成成熟的个体。这种生长形式也相当稳定因为进化很少改变基本的设计。就像DNA-RNA-蛋白质系统几十亿年前就有了并且固定下来一样，基本的参与哺乳动物发展的化学信号和组织反应也已经固化了几百万年。这一过程显然有个时钟，在不同的物种中有不同的速度，和一个定时程序。

　　无论引起衰老的原因是什么，进化都没有理由去掉它们。如果基因建造了可以活上千年的个体，它们就不能从“复制竞争”中获得很多好处。大部分个体在年轻时就由于饥饿，掠夺，意外，或疾病而死亡。象Peter Medawar指出的那样,一个帮助年轻（多数）伤害年老（少数）的基因可以很好地复制下去并且随着人口的增长而广泛传播。如果足够的这种基因积累下来了，动物们就开始按照编好的程序走向死亡。

　　Leonard Hayflick博士的实验表明细胞中存在“时钟”，可以对细胞分裂计数和在计数值达到很高时停止分裂。这种机制可以帮助年轻的动物：如果产生了象癌变那样迅速的细胞分裂，但还没有摧毁细胞内的“时钟”的话，那么只会长成尺寸有限的肿瘤。因此“时钟”可以阻止癌细胞的无限增长。但是这种“时钟”会因为限制年老动物的正常的细胞分裂而伤害年老的动物，停止它们的组织更新；因此动物可以在年轻时因为减少了癌变发生率而获益，同时也解释了引起衰老的原因。但是基因不会在乎这些——它们很早就通过复制转移到下一代身上去了。通过细胞修复机器，我们将能把“时钟”复位。还没有什么证据表明进化已经使我们的身体达到完美的程度了，即使只按照生存和繁殖的标准来看。工程师并不使用象神经纤维一样慢的电路来建造计算机，或者用柔软的蛋白质来制造机器。基因进化（不象拟子的进化）也不能产生新的材料或者新的系统，而只是细化和延伸旧的模型。

　　细胞修复机器大大降低了可能性的门槛——它们甚至没有计算机来指导它们。细胞中不存在纳米计算机，显示了计算机不能一步步地从其它分子机器中进化出来。自然没有建造出最好的细胞修复机器，但是有它充分的理由。

　　 　　治愈并保护地球

　　地球上的生态系统没能适应工业革命也很容易理解。从森林采伐到有害碳氢化合物，我们的破坏速度超过了生物进化能反应过来的速度。我们寻找更多的食物，货物，和服务，我们的体积技术迫使我们继续这种破坏。随着将来的技术进步，我们将能为我们自己做的更好，同时减少对地球的伤害。另外，我们将能建造星球修复机器来修复已被损坏的地球。我们不仅仅想修复细胞。

　　考虑一下有毒废物问题，无论是在空气，土壤还是水中，都有我们生产的废物，它们会伤害生物系统。但是任何能接触生命分子机器的原料本身也可以被其它分子机器接触。这意味着我们将能设计清洁这些废物的机器，使它们不再伤害生态环境。

　　一些废物，例如有害碳氢化合物，由很多危险的分子组成，而组成分子的原子是无害的。清洁机器将通过重新组合它们的原子来使它们变得无害。其他一些废物，例如铅和放射性同位素，包含危险的原子，清洁机器将收集它们并用以下几种方法之一来处理：铅来自于地球岩石，组装机可以把它们放回矿石中去；放射性同位素也可以被隔离开来，通过把它们放进深层矿石或通过其他更厉害的办法；使用便宜可靠的空间运输系统，我们可以把它们埋到月球上的干燥岩石中去；使用纳米机器，我们可以把它们封入象山丘那么大的自修复-自密封的容器中，放到沙漠里，由那里的阳光供能。这比放在被动的岩石和桶中要安全的多。

　　使用自复制组装机，我们甚至可以去除我们的烧油文明产生的过量的二氧化碳。环保主义者预言随着大气中的二氧化碳增多，会产生温室效应，使两极的部分冰帽融化，海平面上升，在下个世纪中叶会淹没许多海岸线。而自复制组装机可以使太阳能变得便宜并足以取代石油能源。象树一样，以太阳能为动力的纳米机器将能提取大气中的二氧化碳并分离出氧元素；与树不一样的是，它们可以生长深深的根把碳元素放回煤层和油田中去，实现循环。

　　未来的星球治疗机器也可以帮助我们修复被破坏的风景和恢复生态系统。采矿刮伤和挖陷了地球；到处是垃圾；森林大火使得灌木增多，矮小的灌木逐渐取代了古老的参天大树并更增加了火灾的可能性。我们将用廉价的熟练的机器人来扭转这个局面，它们可以移动岩石和土壤，重塑大陆的形状；它们可以除草和消化，模拟森林大火的清除作用而不造成危险的破坏；它们可以举起和移动大树，从而可以减弱厚厚的植被，覆盖光秃秃的山坡。我们可以制造象松鼠大小的装置，清除垃圾；我们可以制造象树一样的装置，它们的根可以清除土壤中的杀虫剂并调节酸碱度；我们可以制造昆虫大小的装置清除青苔和碎末。我们将制造任何装置来清理被20世纪的文明搞乱的东西。

　　清理之后，我们将循环利用这些装置，保留那些保护环境所必需的。这些装置将在任何地方作为生态系统的补充，平衡和治愈人类活动产生的后果。使它们变得有效，无害和隐蔽将是一门技艺，不仅需要自动工程技术，还需要关于自然的知识和艺术的灵感。

　　使用细胞修补技术，我们甚至可以